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計畫編號92-1403-31-辛-00-00-00-24
奈米技術計量標準計畫九十二年度執行報告
全程計畫自九十二年一月至九十七年十二月止
本年度計畫自九十二年一月至九十二年十二月止
中 華 民 國 九 十 三 年 一 月
- 1 -
目 錄
壹年度活動紀要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2
貳前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2
參計畫變更說明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2
肆執行績效檢討
一與計畫符合情形
(一)進度與計畫符合情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3
(二)目標達成情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5
(三)配合計畫與措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17
二資源運用情形
(一)人力運用情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17
(二)設備購置與利用情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17
(三)經費運用情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18
三人力培訓情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20
伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯25
二奈米元件機械性質量測分項計畫⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯47
三微流量測標準分項計畫⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53
陸結論與建議⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯59
附件
一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
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壹活動紀要
920228 完成 FY92 計畫議價簽約
920902 期中查證
920923 舉辦干涉顯微三維形貌量測技術研討會（新竹）
921018
~1218 呂錦華研究員赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術
921106 協辦國家度量衡標準實驗室業務說明會（高雄場）
921111 協辦國家度量衡標準實驗室業務說明會（新竹場）
921117 舉辦尖端科技應用於計量標準之技術研討會（新竹）
921230 標檢局實地查驗非接觸式階高系統
921231 出版奈米叢書--「奈米科技與檢測技術」專書
貳前言
「奈米技術計量標準計畫」之目的為建立具良好追溯性的奈米標準與計量技術發
展以原子或分子為基礎的計量準標並配合奈米國家型科技計畫開發奈米計量技術以
為我國長期產業及經濟發展奠基本計畫以三個分項進行 5 個量測參數研究
本年度計畫架構如下
參計畫變更說明
本年度無計畫變更
量測追溯類 分項計畫 量測參數
奈米技術計量標準計畫
尺寸參數量測追溯
力學性質量測追溯
微流量測標準
奈米元件機械性質量測
三維奈米尺寸標準及量測技術
三維奈米尺寸
微硬度
彈性係數
微流標準
階高及表粗
量測追溯類 分項計畫 量測參數
奈米技術計量標準計畫
尺寸參數量測追溯
力學性質量測追溯
微流量測標準
奈米元件機械性質量測
三維奈米尺寸標準及量測技術
三維奈米尺寸
微硬度
彈性係數
微流標準
階高及表粗
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肆執行績效檢討
一與計畫符合情形
(一)進度與計畫符合情形
預定進度 實際進度
進度 月份
92年度
工作項目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A三維奈米尺寸標準及量
測技術分項計畫
干涉顯微鏡
干涉顯微鏡採購及測試
建立表粗參數分析模式
具追溯性三軸計量型原
子力顯微鏡
多功能掃描探針顯微鏡
採購及測試
三軸計量型原子力顯微
鏡設計
軟體驗證
B奈米元件機械性質量測
分項計畫
建立微壓痕量測系統
微壓痕量測系統操作分
析
微壓痕量測系統評估
Hologage 追溯
評估測深所造成之不確
定度
(3) (4) (5)
(12)(11)
(10)(9)(8)
(7)(6)
(1)
(2)
(4)
(2)(1)
(3)
- 4 -
進度 月份
92年度
工作項目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
校正精密天平
校正微壓痕系統之測試
力量
測試力量不確定度評估
建立 micronewton 範圍
量測系統
精密微量天平評估
Micronewton量測系統設
計
Micronewton力量傳遞
標準研究
委託學界進行懸臂樑氏
力量傳感器之力量分
布設計製造
電流天平研究
了解國外進展
C微流量測標準
MicroPIV 架構改良
CFD 微流數值模擬
微流道設計製作
量測方法評估
國際期刊投稿
(5) (6)
(7)
(8)
(10) (9)
(11)
(12)
(13)
(1)
(2)
(3) (4)
(5) (6)
(7)
- 5 -
(二)目標達成情形
1三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A干涉顯微鏡
1 干涉顯微鏡採購及測
試
bull92年 1 月收集及研讀干涉顯微鏡相關資料完
成干涉顯微鏡請購內部審查及採購量測
儀器於 4月中旬到貨(相移法解析度及重覆性
01 nm白光掃描行程大於 100 microm)
bull收集階高標準片資料(VLSITaylor Hobson
Mitutoyo)以用於干涉顯微鏡驗收測試在
階高量測方面以階高標準片及塊規扭合方
式進行干涉顯微鏡測試驗收並以階高標
準片進行白光掃描之 PZT 非線性位移測試及
重覆性測試另以光學平板進行雜訊與參考
面平坦度測試並於 92年 7 月完成驗收性能
測試(01 nm ~ 100 microm)測試結果附於 D300
細部設計書內
bull原預訂 2月完成
採購已提前於
1月完成
2 建立表粗參數分析模
式完成三維表面特徵
分析理論之建立
bull完成光學式與探針式表面形貌實測研究
bull收集表粗之國際規範進行白光掃描顯微鏡
aperture error 研究研究結果白光掃描干
涉術用在大階高量測時不受 aperture error
的影響
bull92年 4月研究PTB在大階高標準片之校正方法
並完成「三維表面分析理論與 PTB 於大階高
標準之校正方法」研究報告一篇
bull撰寫符合 ISO 5436 之階高定義的階高計算程
式及完成表面粗糙度濾波程式及條紋分析
法程式之撰寫及以 VLSI 表粗標準片分別測
試探針式量測儀和光學式量測儀的差異
bull無
- 6 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成三維表粗參數之分
析程式設計及系統細部
設計
bull完成光學式階高校正方法及評估模式建立92
年 12 月完成技術報告「階高標準片校正程
序-光學式」及「階高標準片校正之系統評估
報告-光學式」(在量測中心文件送審中)標
準檢驗局並於 921230 查訪光學式階高校正
系統
bull92年 12 月完成具追溯性干涉顯微鏡系統改裝
細部設計(3~100 microm)
bull92年 12月2日投稿ICMT 2003（International
Conference Mechatronics Technology）研
討會論文一篇rdquoError Source Analysis for
Step Height Measurementrdquo92年 10 月投稿
Optical Communications 第 226 期國際期刊
論文一篇rdquoMeasuring the thickness of
opaque plane-parallel parts using an
external cavity diode laser and a
double-ended interferometerrdquordquo
bull本年度預訂測試
干涉顯鏡的性
能及光學式和
探針式在表粗
量測的差異為
配合計畫能儘
速提供校正服
務本年度先研
究在 10 nm~3 microm
的階高絕對校
正3 microm~100 microm
擬於 93年繼續
進行評估
B具追溯性三軸計量型
原子力顯微鏡
1多功能掃描探針顯微
鏡採購及測試
bull搜集多功能掃描探針顯微鏡資料包括 DI
SEIKOQUESANTNT-MDTPSIA 等廠商製造
SPM 資料以開立採購規格(Z 軸解析度 01
nm行程 80times80times5 microm3)92年 2 月完成多功
能探針掃描顯微鏡購案內部審查採購案提
出議價訂約
bull多功能探針掃描顯微鏡及隔振台 7月初到貨
於 8月完成多功能探針掃描顯微鏡 Scanning
modeRangeNoise levelMaxData Image
等測試驗收
bull本案採購的多功
能 SPM 原預訂 7
月完成驗收測
試由於廠商在
測試 AFM 微影功
能和雜訊時無
法達系統規
格原製造廠在
8月送來新軟體
後己於 8月底
完成驗收測試
- 7 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull進行線距(Pitch)能力試驗參與單位有汎
達科榮台積電材料所精儀中心清
大等於 10 月下旬己完成量測分析結果及報
告預訂 93年度進行整理
2三軸計量型原子力顯
微鏡設計
bull完成具追溯性三軸 SPM
設計（研究報告）
bull92年 4 月完成具追溯性三軸 SPM 整體規格設
計10 月完成細部設計12 月完成三維計量
SPM 設計具追溯性多功能掃描探針顯微鏡系
統規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm3
隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm 以上
微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm 以上
符合計量結構對稱性Super-Invar
bull投稿 SPIE(The International Society for
Optical Engineering)國際研討會論文一篇rdquo
Pitch calibration by reflective laser
diffractionrdquo並於 8月參加該研討會及發表
論文投稿 ISMTII 研討會論文一篇rdquoPitch
calibration by an temperature-controlled
traceable atomic force microscope and a
laser diffractometerrdquo 並於 92年 11 月參
加該研討會及發表論文
bull無
C軟體驗證
bull完成軟體驗證規格設計 bull92年 4 月蒐集 NISTNPLPTB 軟體驗證資料
並配合標準計畫拜訪 NPL 的 Centre for
Mathematics and Scientific Computing
了解該部門軟體驗證方法之研究
bull無
- 8 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull依據 ISO 5436分正弦波三角波混合波
弧形波配合其他因子進行實驗設計擬用
於表粗參考資料庫規劃及用於 SPIP 軟體驗
證及研擬以不同軟體驗證 SRD 之統計方法
bull92年 6 月完成軟體驗證細部規格設計書
bull完成軟體驗證分析研究報告
bull進行 MSRD(Modify Standard Reference Data)
統計方法之探討及 MSRR(Modify Standard
Reference Results)與測試結果比較方法之
研究及進行 Reference Profile 與
Reference Software 在軟體驗證的架構和
軟體追溯層級設計
bull92年 12 月完成「量測軟體之追溯概念與統計
分析方法」之技術報告撰寫
bull92年 12 月 2日投稿 ICMT論文一篇rdquo Software
Verification for Roughness Parametersrdquo
92年 12月 12日投稿rdquo第八屆中華民國實驗室
管理與認證論文發表會rdquo論文一篇ldquo量測軟
體之追溯概念與統計分析方法
bull無
其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D角度原級標準及奈米
粒徑先期規劃
bull完成角度原級標準系統
規格設計 bull92年 2 月進行全周平均零誤差系統雛型信號
測試92年 6 月完成全周平均零誤差光柵設
計並送 NDL 製作92年 7 月通過中心內部
審查作業提出專利申請rdquo全周平均零誤差編
碼器rdquo92年 11 月 17 日完成專利申請作業
專利名稱rdquo光學式角度編碼器rdquo申請號碼
P07920010TW
bull無
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計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull92年 3 月搜集聯絡角度標準轉盤製作廠商
相關資料與 Aerotech Inc進行討論該廠商
所能製作角度原級標準之最佳能力
bull92年 6 月完成角度原級標準系統規格設計
bull完成角度原級標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 8 月分別向 AA GAGEAEROTECH和 PI 洽
詢委製事宜92年 8 月呂錦華出國赴美拜
訪了美國 PIAA GaugeAerotech 等精密製
造廠尋求角度標準轉盤委託製造92年 10
月~12月呂錦華赴德國PTB研習角度標準及校
正技術
bull92年 12 月完成角度原級標準系統細部規格
設計及研究技術報告撰寫
bull無
bull奈米粒徑先期規劃 bull92年 3 月搜集粒徑量測規範(CNSISOASTM
DIN)及拜訪台大化工系戴怡德教授討論粒
徑量測技術和能力試驗92年 4 月邀請台大
化工系戴怡德教授講授粉體粒徑量測技術及
討論能力試驗並購入 NIST SRM1963 100nm
amp SRM 1692 3microm 和 Duke Scientific 50nm 標
準粉體進行國內奈米粉體粒徑比對規劃
參與實驗室有台大北科大中科院成大
信昌公司德芮克盤拓工研院8月中旬
至 9月試驗樣品傳給參與單位進行能力試
驗92年 12 月完成rdquo奈米粉體粒徑量測能力
先期試驗rdquo技術報告撰寫
bull參與化工所舉辦的小角度X-ray散射儀(SAXS)
的訓練課程並參與 SAXS 組裝及測試92年 8
月 21~22 日參與化工所舉辦的小角度 X-ray
散射儀(SAXS)的訓練課程
bull無
E奈米膜厚標準先期規
劃
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計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成奈米膜厚標準系統
規格設計(設計規格書) bull購入 optical fiber amp collimation lens 用
於單波長光源膜厚量測測試
bull進行單波長雷射光源用於膜厚絕對量測模型
試驗完成單波長薄膜量測系統設計
bull92年 6 月完成奈米膜厚標準系統規格設計(設
計規格書)
無
bull完成奈米膜厚標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 12 月完成先期規劃及報告撰寫rdquo奈米薄
膜校定先期研究報告rdquo
bull無
- 11 -
2奈米元件機械性質量測分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A建立微壓痕量測系統
1微壓痕量測系統操作
分析
bull完成微壓痕系統操作手冊 bull無
2微壓痕量測系統評估 bull完成微壓痕量測系統評
估
bull評估項目包含測試力量測深零點壓頭尖
端半徑以及壓頭角度等五項壓痕測試系統的
擴充不確定度為 37
bull無
3 Hologage追溯 完成 Hologage 追溯
(Max002 mmd=100
nm)
bull完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10
nm)
bull無
4評估測深所造成之不確
定度 bull完成測深之不確定度評
估(Uncertainty 05 )
bull製作 Hologage 與微壓痕系統的置具整合反
射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統
與 Hologage 測試數據比較測深之不確定度
為 0014
bull受年中國內 SARS
疫情影響壓痕
系統原廠工程師
不敢至台灣協助
系統測試延至
8月初完成測深
校正與不確定度
評估
5校正精密天平 bull完成精密天平採購
bull完成精密天平評估
(Max100 gd=01 mg)
bull精密天平之規格如下
最小讀數 001 mg
最大秤量 101 g
再現性 0005 mg
線性度 plusmn 015 mg
bull原本向瑞士商 Mettler Toledo 採購因該天
平穩定性不足另向德商 Sartorius 採購相同
規格之天平
bull9 月初完成精密天平評估
bull原廠商 Mettler
Toledo 先後提
供的兩組精密天
平皆無法通過穩
定性測試於 6
月間緊急向德商
Sartorius 公司
採購於 9月初
完成精密天平評
估
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計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
6校正微壓痕系統之測試力量
bull完成微壓痕系統測試力
量(01~1000 mN)校正
方法研究
bull利用評估完成的精密天平完成測試力量校
正
bull無
7測試力量不確定度評估 bull完成測試力量不確定度
評估(Uncertainty 2
)
bull完成測試力量不確定度評估 01~1000 mN 相對
擴充不確定度小於 065
bull無
B建立micronewton範圍
量測系統
1精密微量天平評估 bull完成精密微量天平採購
與評估
bull精密微量天平之規格如下
最小讀數 01 μg
最大秤量 51 g
再現性 04 μg
bull廠商原提供的精密微量天平穩定性不足協調
廠商更換新品更換後的新品驗收後進行天平
線性校正7月中完成精密微量天平評估報
告
bull無
2Micronewton 量測系統
設計 bull完成 Micronewton量測
系統初步設計
bull整合微步進系統與微動平台設計置具整合壓
阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力
傳感晶片位置再使用微動平台移動微力傳感
晶片至精密微量天平
bull無
CMicronewton力量傳遞
標準研究
1委託學界進行懸臂樑
式力量傳感器之力量
分布設計製造
bull壓阻式力量傳感晶片我們考慮利用商用AFM探
針因為該項產品有專利保護其他公司(或
研究單位)不敢貿然協助本計劃開發相關產
品同時價格上與實用時程上商用壓阻式 AFM
探針都比較符合本實驗需求已採購數組晶片
進行初步研究
bull無
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計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D電流天平研究
1完成電流天平國外進
展(出國報告)
bull使用有限元素分析法計算電流天平結構與靜
電力等並與 NIST 實驗結果相互驗證
bull完成電流天平國外進展(出國報告)
bull無
E奈米尺寸薄膜
(50~100nm)波傳性質
理論研究
1完成奈米尺寸薄膜波
傳性質理論研究(技術
報告)
bull以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介
質表面波波傳行為
bull理論計算層狀物體頻散現象
bull無
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3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
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計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
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本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
- 18 -
(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
- 21 -
轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
- 22 -
法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
- 23 -
(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
- 25 -
伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
- 26 -
估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
- 27 -
決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
- 28 -
法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
- 29 -
commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
- 30 -
Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
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- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
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The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 1 -
目 錄
壹年度活動紀要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2
貳前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2
參計畫變更說明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2
肆執行績效檢討
一與計畫符合情形
(一)進度與計畫符合情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3
(二)目標達成情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5
(三)配合計畫與措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17
二資源運用情形
(一)人力運用情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17
(二)設備購置與利用情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17
(三)經費運用情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18
三人力培訓情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20
伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯25
二奈米元件機械性質量測分項計畫⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯47
三微流量測標準分項計畫⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53
陸結論與建議⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯59
附件
一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 2 -
壹活動紀要
920228 完成 FY92 計畫議價簽約
920902 期中查證
920923 舉辦干涉顯微三維形貌量測技術研討會（新竹）
921018
~1218 呂錦華研究員赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術
921106 協辦國家度量衡標準實驗室業務說明會（高雄場）
921111 協辦國家度量衡標準實驗室業務說明會（新竹場）
921117 舉辦尖端科技應用於計量標準之技術研討會（新竹）
921230 標檢局實地查驗非接觸式階高系統
921231 出版奈米叢書--「奈米科技與檢測技術」專書
貳前言
「奈米技術計量標準計畫」之目的為建立具良好追溯性的奈米標準與計量技術發
展以原子或分子為基礎的計量準標並配合奈米國家型科技計畫開發奈米計量技術以
為我國長期產業及經濟發展奠基本計畫以三個分項進行 5 個量測參數研究
本年度計畫架構如下
參計畫變更說明
本年度無計畫變更
量測追溯類 分項計畫 量測參數
奈米技術計量標準計畫
尺寸參數量測追溯
力學性質量測追溯
微流量測標準
奈米元件機械性質量測
三維奈米尺寸標準及量測技術
三維奈米尺寸
微硬度
彈性係數
微流標準
階高及表粗
量測追溯類 分項計畫 量測參數
奈米技術計量標準計畫
尺寸參數量測追溯
力學性質量測追溯
微流量測標準
奈米元件機械性質量測
三維奈米尺寸標準及量測技術
三維奈米尺寸
微硬度
彈性係數
微流標準
階高及表粗
- 3 -
肆執行績效檢討
一與計畫符合情形
(一)進度與計畫符合情形
預定進度 實際進度
進度 月份
92年度
工作項目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A三維奈米尺寸標準及量
測技術分項計畫
干涉顯微鏡
干涉顯微鏡採購及測試
建立表粗參數分析模式
具追溯性三軸計量型原
子力顯微鏡
多功能掃描探針顯微鏡
採購及測試
三軸計量型原子力顯微
鏡設計
軟體驗證
B奈米元件機械性質量測
分項計畫
建立微壓痕量測系統
微壓痕量測系統操作分
析
微壓痕量測系統評估
Hologage 追溯
評估測深所造成之不確
定度
(3) (4) (5)
(12)(11)
(10)(9)(8)
(7)(6)
(1)
(2)
(4)
(2)(1)
(3)
- 4 -
進度 月份
92年度
工作項目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
校正精密天平
校正微壓痕系統之測試
力量
測試力量不確定度評估
建立 micronewton 範圍
量測系統
精密微量天平評估
Micronewton量測系統設
計
Micronewton力量傳遞
標準研究
委託學界進行懸臂樑氏
力量傳感器之力量分
布設計製造
電流天平研究
了解國外進展
C微流量測標準
MicroPIV 架構改良
CFD 微流數值模擬
微流道設計製作
量測方法評估
國際期刊投稿
(5) (6)
(7)
(8)
(10) (9)
(11)
(12)
(13)
(1)
(2)
(3) (4)
(5) (6)
(7)
- 5 -
(二)目標達成情形
1三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A干涉顯微鏡
1 干涉顯微鏡採購及測
試
bull92年 1 月收集及研讀干涉顯微鏡相關資料完
成干涉顯微鏡請購內部審查及採購量測
儀器於 4月中旬到貨(相移法解析度及重覆性
01 nm白光掃描行程大於 100 microm)
bull收集階高標準片資料(VLSITaylor Hobson
Mitutoyo)以用於干涉顯微鏡驗收測試在
階高量測方面以階高標準片及塊規扭合方
式進行干涉顯微鏡測試驗收並以階高標
準片進行白光掃描之 PZT 非線性位移測試及
重覆性測試另以光學平板進行雜訊與參考
面平坦度測試並於 92年 7 月完成驗收性能
測試(01 nm ~ 100 microm)測試結果附於 D300
細部設計書內
bull原預訂 2月完成
採購已提前於
1月完成
2 建立表粗參數分析模
式完成三維表面特徵
分析理論之建立
bull完成光學式與探針式表面形貌實測研究
bull收集表粗之國際規範進行白光掃描顯微鏡
aperture error 研究研究結果白光掃描干
涉術用在大階高量測時不受 aperture error
的影響
bull92年 4月研究PTB在大階高標準片之校正方法
並完成「三維表面分析理論與 PTB 於大階高
標準之校正方法」研究報告一篇
bull撰寫符合 ISO 5436 之階高定義的階高計算程
式及完成表面粗糙度濾波程式及條紋分析
法程式之撰寫及以 VLSI 表粗標準片分別測
試探針式量測儀和光學式量測儀的差異
bull無
- 6 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成三維表粗參數之分
析程式設計及系統細部
設計
bull完成光學式階高校正方法及評估模式建立92
年 12 月完成技術報告「階高標準片校正程
序-光學式」及「階高標準片校正之系統評估
報告-光學式」(在量測中心文件送審中)標
準檢驗局並於 921230 查訪光學式階高校正
系統
bull92年 12 月完成具追溯性干涉顯微鏡系統改裝
細部設計(3~100 microm)
bull92年 12月2日投稿ICMT 2003（International
Conference Mechatronics Technology）研
討會論文一篇rdquoError Source Analysis for
Step Height Measurementrdquo92年 10 月投稿
Optical Communications 第 226 期國際期刊
論文一篇rdquoMeasuring the thickness of
opaque plane-parallel parts using an
external cavity diode laser and a
double-ended interferometerrdquordquo
bull本年度預訂測試
干涉顯鏡的性
能及光學式和
探針式在表粗
量測的差異為
配合計畫能儘
速提供校正服
務本年度先研
究在 10 nm~3 microm
的階高絕對校
正3 microm~100 microm
擬於 93年繼續
進行評估
B具追溯性三軸計量型
原子力顯微鏡
1多功能掃描探針顯微
鏡採購及測試
bull搜集多功能掃描探針顯微鏡資料包括 DI
SEIKOQUESANTNT-MDTPSIA 等廠商製造
SPM 資料以開立採購規格(Z 軸解析度 01
nm行程 80times80times5 microm3)92年 2 月完成多功
能探針掃描顯微鏡購案內部審查採購案提
出議價訂約
bull多功能探針掃描顯微鏡及隔振台 7月初到貨
於 8月完成多功能探針掃描顯微鏡 Scanning
modeRangeNoise levelMaxData Image
等測試驗收
bull本案採購的多功
能 SPM 原預訂 7
月完成驗收測
試由於廠商在
測試 AFM 微影功
能和雜訊時無
法達系統規
格原製造廠在
8月送來新軟體
後己於 8月底
完成驗收測試
- 7 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull進行線距(Pitch)能力試驗參與單位有汎
達科榮台積電材料所精儀中心清
大等於 10 月下旬己完成量測分析結果及報
告預訂 93年度進行整理
2三軸計量型原子力顯
微鏡設計
bull完成具追溯性三軸 SPM
設計（研究報告）
bull92年 4 月完成具追溯性三軸 SPM 整體規格設
計10 月完成細部設計12 月完成三維計量
SPM 設計具追溯性多功能掃描探針顯微鏡系
統規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm3
隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm 以上
微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm 以上
符合計量結構對稱性Super-Invar
bull投稿 SPIE(The International Society for
Optical Engineering)國際研討會論文一篇rdquo
Pitch calibration by reflective laser
diffractionrdquo並於 8月參加該研討會及發表
論文投稿 ISMTII 研討會論文一篇rdquoPitch
calibration by an temperature-controlled
traceable atomic force microscope and a
laser diffractometerrdquo 並於 92年 11 月參
加該研討會及發表論文
bull無
C軟體驗證
bull完成軟體驗證規格設計 bull92年 4 月蒐集 NISTNPLPTB 軟體驗證資料
並配合標準計畫拜訪 NPL 的 Centre for
Mathematics and Scientific Computing
了解該部門軟體驗證方法之研究
bull無
- 8 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull依據 ISO 5436分正弦波三角波混合波
弧形波配合其他因子進行實驗設計擬用
於表粗參考資料庫規劃及用於 SPIP 軟體驗
證及研擬以不同軟體驗證 SRD 之統計方法
bull92年 6 月完成軟體驗證細部規格設計書
bull完成軟體驗證分析研究報告
bull進行 MSRD(Modify Standard Reference Data)
統計方法之探討及 MSRR(Modify Standard
Reference Results)與測試結果比較方法之
研究及進行 Reference Profile 與
Reference Software 在軟體驗證的架構和
軟體追溯層級設計
bull92年 12 月完成「量測軟體之追溯概念與統計
分析方法」之技術報告撰寫
bull92年 12 月 2日投稿 ICMT論文一篇rdquo Software
Verification for Roughness Parametersrdquo
92年 12月 12日投稿rdquo第八屆中華民國實驗室
管理與認證論文發表會rdquo論文一篇ldquo量測軟
體之追溯概念與統計分析方法
bull無
其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D角度原級標準及奈米
粒徑先期規劃
bull完成角度原級標準系統
規格設計 bull92年 2 月進行全周平均零誤差系統雛型信號
測試92年 6 月完成全周平均零誤差光柵設
計並送 NDL 製作92年 7 月通過中心內部
審查作業提出專利申請rdquo全周平均零誤差編
碼器rdquo92年 11 月 17 日完成專利申請作業
專利名稱rdquo光學式角度編碼器rdquo申請號碼
P07920010TW
bull無
- 9 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull92年 3 月搜集聯絡角度標準轉盤製作廠商
相關資料與 Aerotech Inc進行討論該廠商
所能製作角度原級標準之最佳能力
bull92年 6 月完成角度原級標準系統規格設計
bull完成角度原級標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 8 月分別向 AA GAGEAEROTECH和 PI 洽
詢委製事宜92年 8 月呂錦華出國赴美拜
訪了美國 PIAA GaugeAerotech 等精密製
造廠尋求角度標準轉盤委託製造92年 10
月~12月呂錦華赴德國PTB研習角度標準及校
正技術
bull92年 12 月完成角度原級標準系統細部規格
設計及研究技術報告撰寫
bull無
bull奈米粒徑先期規劃 bull92年 3 月搜集粒徑量測規範(CNSISOASTM
DIN)及拜訪台大化工系戴怡德教授討論粒
徑量測技術和能力試驗92年 4 月邀請台大
化工系戴怡德教授講授粉體粒徑量測技術及
討論能力試驗並購入 NIST SRM1963 100nm
amp SRM 1692 3microm 和 Duke Scientific 50nm 標
準粉體進行國內奈米粉體粒徑比對規劃
參與實驗室有台大北科大中科院成大
信昌公司德芮克盤拓工研院8月中旬
至 9月試驗樣品傳給參與單位進行能力試
驗92年 12 月完成rdquo奈米粉體粒徑量測能力
先期試驗rdquo技術報告撰寫
bull參與化工所舉辦的小角度X-ray散射儀(SAXS)
的訓練課程並參與 SAXS 組裝及測試92年 8
月 21~22 日參與化工所舉辦的小角度 X-ray
散射儀(SAXS)的訓練課程
bull無
E奈米膜厚標準先期規
劃
- 10 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成奈米膜厚標準系統
規格設計(設計規格書) bull購入 optical fiber amp collimation lens 用
於單波長光源膜厚量測測試
bull進行單波長雷射光源用於膜厚絕對量測模型
試驗完成單波長薄膜量測系統設計
bull92年 6 月完成奈米膜厚標準系統規格設計(設
計規格書)
無
bull完成奈米膜厚標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 12 月完成先期規劃及報告撰寫rdquo奈米薄
膜校定先期研究報告rdquo
bull無
- 11 -
2奈米元件機械性質量測分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A建立微壓痕量測系統
1微壓痕量測系統操作
分析
bull完成微壓痕系統操作手冊 bull無
2微壓痕量測系統評估 bull完成微壓痕量測系統評
估
bull評估項目包含測試力量測深零點壓頭尖
端半徑以及壓頭角度等五項壓痕測試系統的
擴充不確定度為 37
bull無
3 Hologage追溯 完成 Hologage 追溯
(Max002 mmd=100
nm)
bull完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10
nm)
bull無
4評估測深所造成之不確
定度 bull完成測深之不確定度評
估(Uncertainty 05 )
bull製作 Hologage 與微壓痕系統的置具整合反
射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統
與 Hologage 測試數據比較測深之不確定度
為 0014
bull受年中國內 SARS
疫情影響壓痕
系統原廠工程師
不敢至台灣協助
系統測試延至
8月初完成測深
校正與不確定度
評估
5校正精密天平 bull完成精密天平採購
bull完成精密天平評估
(Max100 gd=01 mg)
bull精密天平之規格如下
最小讀數 001 mg
最大秤量 101 g
再現性 0005 mg
線性度 plusmn 015 mg
bull原本向瑞士商 Mettler Toledo 採購因該天
平穩定性不足另向德商 Sartorius 採購相同
規格之天平
bull9 月初完成精密天平評估
bull原廠商 Mettler
Toledo 先後提
供的兩組精密天
平皆無法通過穩
定性測試於 6
月間緊急向德商
Sartorius 公司
採購於 9月初
完成精密天平評
估
- 12 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
6校正微壓痕系統之測試力量
bull完成微壓痕系統測試力
量(01~1000 mN)校正
方法研究
bull利用評估完成的精密天平完成測試力量校
正
bull無
7測試力量不確定度評估 bull完成測試力量不確定度
評估(Uncertainty 2
)
bull完成測試力量不確定度評估 01~1000 mN 相對
擴充不確定度小於 065
bull無
B建立micronewton範圍
量測系統
1精密微量天平評估 bull完成精密微量天平採購
與評估
bull精密微量天平之規格如下
最小讀數 01 μg
最大秤量 51 g
再現性 04 μg
bull廠商原提供的精密微量天平穩定性不足協調
廠商更換新品更換後的新品驗收後進行天平
線性校正7月中完成精密微量天平評估報
告
bull無
2Micronewton 量測系統
設計 bull完成 Micronewton量測
系統初步設計
bull整合微步進系統與微動平台設計置具整合壓
阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力
傳感晶片位置再使用微動平台移動微力傳感
晶片至精密微量天平
bull無
CMicronewton力量傳遞
標準研究
1委託學界進行懸臂樑
式力量傳感器之力量
分布設計製造
bull壓阻式力量傳感晶片我們考慮利用商用AFM探
針因為該項產品有專利保護其他公司(或
研究單位)不敢貿然協助本計劃開發相關產
品同時價格上與實用時程上商用壓阻式 AFM
探針都比較符合本實驗需求已採購數組晶片
進行初步研究
bull無
- 13 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D電流天平研究
1完成電流天平國外進
展(出國報告)
bull使用有限元素分析法計算電流天平結構與靜
電力等並與 NIST 實驗結果相互驗證
bull完成電流天平國外進展(出國報告)
bull無
E奈米尺寸薄膜
(50~100nm)波傳性質
理論研究
1完成奈米尺寸薄膜波
傳性質理論研究(技術
報告)
bull以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介
質表面波波傳行為
bull理論計算層狀物體頻散現象
bull無
- 14 -
3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
- 18 -
(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
- 21 -
轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
- 22 -
法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
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(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
- 25 -
伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
- 26 -
估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
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The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 2 -
壹活動紀要
920228 完成 FY92 計畫議價簽約
920902 期中查證
920923 舉辦干涉顯微三維形貌量測技術研討會（新竹）
921018
~1218 呂錦華研究員赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術
921106 協辦國家度量衡標準實驗室業務說明會（高雄場）
921111 協辦國家度量衡標準實驗室業務說明會（新竹場）
921117 舉辦尖端科技應用於計量標準之技術研討會（新竹）
921230 標檢局實地查驗非接觸式階高系統
921231 出版奈米叢書--「奈米科技與檢測技術」專書
貳前言
「奈米技術計量標準計畫」之目的為建立具良好追溯性的奈米標準與計量技術發
展以原子或分子為基礎的計量準標並配合奈米國家型科技計畫開發奈米計量技術以
為我國長期產業及經濟發展奠基本計畫以三個分項進行 5 個量測參數研究
本年度計畫架構如下
參計畫變更說明
本年度無計畫變更
量測追溯類 分項計畫 量測參數
奈米技術計量標準計畫
尺寸參數量測追溯
力學性質量測追溯
微流量測標準
奈米元件機械性質量測
三維奈米尺寸標準及量測技術
三維奈米尺寸
微硬度
彈性係數
微流標準
階高及表粗
量測追溯類 分項計畫 量測參數
奈米技術計量標準計畫
尺寸參數量測追溯
力學性質量測追溯
微流量測標準
奈米元件機械性質量測
三維奈米尺寸標準及量測技術
三維奈米尺寸
微硬度
彈性係數
微流標準
階高及表粗
- 3 -
肆執行績效檢討
一與計畫符合情形
(一)進度與計畫符合情形
預定進度 實際進度
進度 月份
92年度
工作項目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A三維奈米尺寸標準及量
測技術分項計畫
干涉顯微鏡
干涉顯微鏡採購及測試
建立表粗參數分析模式
具追溯性三軸計量型原
子力顯微鏡
多功能掃描探針顯微鏡
採購及測試
三軸計量型原子力顯微
鏡設計
軟體驗證
B奈米元件機械性質量測
分項計畫
建立微壓痕量測系統
微壓痕量測系統操作分
析
微壓痕量測系統評估
Hologage 追溯
評估測深所造成之不確
定度
(3) (4) (5)
(12)(11)
(10)(9)(8)
(7)(6)
(1)
(2)
(4)
(2)(1)
(3)
- 4 -
進度 月份
92年度
工作項目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
校正精密天平
校正微壓痕系統之測試
力量
測試力量不確定度評估
建立 micronewton 範圍
量測系統
精密微量天平評估
Micronewton量測系統設
計
Micronewton力量傳遞
標準研究
委託學界進行懸臂樑氏
力量傳感器之力量分
布設計製造
電流天平研究
了解國外進展
C微流量測標準
MicroPIV 架構改良
CFD 微流數值模擬
微流道設計製作
量測方法評估
國際期刊投稿
(5) (6)
(7)
(8)
(10) (9)
(11)
(12)
(13)
(1)
(2)
(3) (4)
(5) (6)
(7)
- 5 -
(二)目標達成情形
1三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A干涉顯微鏡
1 干涉顯微鏡採購及測
試
bull92年 1 月收集及研讀干涉顯微鏡相關資料完
成干涉顯微鏡請購內部審查及採購量測
儀器於 4月中旬到貨(相移法解析度及重覆性
01 nm白光掃描行程大於 100 microm)
bull收集階高標準片資料(VLSITaylor Hobson
Mitutoyo)以用於干涉顯微鏡驗收測試在
階高量測方面以階高標準片及塊規扭合方
式進行干涉顯微鏡測試驗收並以階高標
準片進行白光掃描之 PZT 非線性位移測試及
重覆性測試另以光學平板進行雜訊與參考
面平坦度測試並於 92年 7 月完成驗收性能
測試(01 nm ~ 100 microm)測試結果附於 D300
細部設計書內
bull原預訂 2月完成
採購已提前於
1月完成
2 建立表粗參數分析模
式完成三維表面特徵
分析理論之建立
bull完成光學式與探針式表面形貌實測研究
bull收集表粗之國際規範進行白光掃描顯微鏡
aperture error 研究研究結果白光掃描干
涉術用在大階高量測時不受 aperture error
的影響
bull92年 4月研究PTB在大階高標準片之校正方法
並完成「三維表面分析理論與 PTB 於大階高
標準之校正方法」研究報告一篇
bull撰寫符合 ISO 5436 之階高定義的階高計算程
式及完成表面粗糙度濾波程式及條紋分析
法程式之撰寫及以 VLSI 表粗標準片分別測
試探針式量測儀和光學式量測儀的差異
bull無
- 6 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成三維表粗參數之分
析程式設計及系統細部
設計
bull完成光學式階高校正方法及評估模式建立92
年 12 月完成技術報告「階高標準片校正程
序-光學式」及「階高標準片校正之系統評估
報告-光學式」(在量測中心文件送審中)標
準檢驗局並於 921230 查訪光學式階高校正
系統
bull92年 12 月完成具追溯性干涉顯微鏡系統改裝
細部設計(3~100 microm)
bull92年 12月2日投稿ICMT 2003（International
Conference Mechatronics Technology）研
討會論文一篇rdquoError Source Analysis for
Step Height Measurementrdquo92年 10 月投稿
Optical Communications 第 226 期國際期刊
論文一篇rdquoMeasuring the thickness of
opaque plane-parallel parts using an
external cavity diode laser and a
double-ended interferometerrdquordquo
bull本年度預訂測試
干涉顯鏡的性
能及光學式和
探針式在表粗
量測的差異為
配合計畫能儘
速提供校正服
務本年度先研
究在 10 nm~3 microm
的階高絕對校
正3 microm~100 microm
擬於 93年繼續
進行評估
B具追溯性三軸計量型
原子力顯微鏡
1多功能掃描探針顯微
鏡採購及測試
bull搜集多功能掃描探針顯微鏡資料包括 DI
SEIKOQUESANTNT-MDTPSIA 等廠商製造
SPM 資料以開立採購規格(Z 軸解析度 01
nm行程 80times80times5 microm3)92年 2 月完成多功
能探針掃描顯微鏡購案內部審查採購案提
出議價訂約
bull多功能探針掃描顯微鏡及隔振台 7月初到貨
於 8月完成多功能探針掃描顯微鏡 Scanning
modeRangeNoise levelMaxData Image
等測試驗收
bull本案採購的多功
能 SPM 原預訂 7
月完成驗收測
試由於廠商在
測試 AFM 微影功
能和雜訊時無
法達系統規
格原製造廠在
8月送來新軟體
後己於 8月底
完成驗收測試
- 7 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull進行線距(Pitch)能力試驗參與單位有汎
達科榮台積電材料所精儀中心清
大等於 10 月下旬己完成量測分析結果及報
告預訂 93年度進行整理
2三軸計量型原子力顯
微鏡設計
bull完成具追溯性三軸 SPM
設計（研究報告）
bull92年 4 月完成具追溯性三軸 SPM 整體規格設
計10 月完成細部設計12 月完成三維計量
SPM 設計具追溯性多功能掃描探針顯微鏡系
統規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm3
隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm 以上
微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm 以上
符合計量結構對稱性Super-Invar
bull投稿 SPIE(The International Society for
Optical Engineering)國際研討會論文一篇rdquo
Pitch calibration by reflective laser
diffractionrdquo並於 8月參加該研討會及發表
論文投稿 ISMTII 研討會論文一篇rdquoPitch
calibration by an temperature-controlled
traceable atomic force microscope and a
laser diffractometerrdquo 並於 92年 11 月參
加該研討會及發表論文
bull無
C軟體驗證
bull完成軟體驗證規格設計 bull92年 4 月蒐集 NISTNPLPTB 軟體驗證資料
並配合標準計畫拜訪 NPL 的 Centre for
Mathematics and Scientific Computing
了解該部門軟體驗證方法之研究
bull無
- 8 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull依據 ISO 5436分正弦波三角波混合波
弧形波配合其他因子進行實驗設計擬用
於表粗參考資料庫規劃及用於 SPIP 軟體驗
證及研擬以不同軟體驗證 SRD 之統計方法
bull92年 6 月完成軟體驗證細部規格設計書
bull完成軟體驗證分析研究報告
bull進行 MSRD(Modify Standard Reference Data)
統計方法之探討及 MSRR(Modify Standard
Reference Results)與測試結果比較方法之
研究及進行 Reference Profile 與
Reference Software 在軟體驗證的架構和
軟體追溯層級設計
bull92年 12 月完成「量測軟體之追溯概念與統計
分析方法」之技術報告撰寫
bull92年 12 月 2日投稿 ICMT論文一篇rdquo Software
Verification for Roughness Parametersrdquo
92年 12月 12日投稿rdquo第八屆中華民國實驗室
管理與認證論文發表會rdquo論文一篇ldquo量測軟
體之追溯概念與統計分析方法
bull無
其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D角度原級標準及奈米
粒徑先期規劃
bull完成角度原級標準系統
規格設計 bull92年 2 月進行全周平均零誤差系統雛型信號
測試92年 6 月完成全周平均零誤差光柵設
計並送 NDL 製作92年 7 月通過中心內部
審查作業提出專利申請rdquo全周平均零誤差編
碼器rdquo92年 11 月 17 日完成專利申請作業
專利名稱rdquo光學式角度編碼器rdquo申請號碼
P07920010TW
bull無
- 9 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull92年 3 月搜集聯絡角度標準轉盤製作廠商
相關資料與 Aerotech Inc進行討論該廠商
所能製作角度原級標準之最佳能力
bull92年 6 月完成角度原級標準系統規格設計
bull完成角度原級標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 8 月分別向 AA GAGEAEROTECH和 PI 洽
詢委製事宜92年 8 月呂錦華出國赴美拜
訪了美國 PIAA GaugeAerotech 等精密製
造廠尋求角度標準轉盤委託製造92年 10
月~12月呂錦華赴德國PTB研習角度標準及校
正技術
bull92年 12 月完成角度原級標準系統細部規格
設計及研究技術報告撰寫
bull無
bull奈米粒徑先期規劃 bull92年 3 月搜集粒徑量測規範(CNSISOASTM
DIN)及拜訪台大化工系戴怡德教授討論粒
徑量測技術和能力試驗92年 4 月邀請台大
化工系戴怡德教授講授粉體粒徑量測技術及
討論能力試驗並購入 NIST SRM1963 100nm
amp SRM 1692 3microm 和 Duke Scientific 50nm 標
準粉體進行國內奈米粉體粒徑比對規劃
參與實驗室有台大北科大中科院成大
信昌公司德芮克盤拓工研院8月中旬
至 9月試驗樣品傳給參與單位進行能力試
驗92年 12 月完成rdquo奈米粉體粒徑量測能力
先期試驗rdquo技術報告撰寫
bull參與化工所舉辦的小角度X-ray散射儀(SAXS)
的訓練課程並參與 SAXS 組裝及測試92年 8
月 21~22 日參與化工所舉辦的小角度 X-ray
散射儀(SAXS)的訓練課程
bull無
E奈米膜厚標準先期規
劃
- 10 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成奈米膜厚標準系統
規格設計(設計規格書) bull購入 optical fiber amp collimation lens 用
於單波長光源膜厚量測測試
bull進行單波長雷射光源用於膜厚絕對量測模型
試驗完成單波長薄膜量測系統設計
bull92年 6 月完成奈米膜厚標準系統規格設計(設
計規格書)
無
bull完成奈米膜厚標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 12 月完成先期規劃及報告撰寫rdquo奈米薄
膜校定先期研究報告rdquo
bull無
- 11 -
2奈米元件機械性質量測分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A建立微壓痕量測系統
1微壓痕量測系統操作
分析
bull完成微壓痕系統操作手冊 bull無
2微壓痕量測系統評估 bull完成微壓痕量測系統評
估
bull評估項目包含測試力量測深零點壓頭尖
端半徑以及壓頭角度等五項壓痕測試系統的
擴充不確定度為 37
bull無
3 Hologage追溯 完成 Hologage 追溯
(Max002 mmd=100
nm)
bull完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10
nm)
bull無
4評估測深所造成之不確
定度 bull完成測深之不確定度評
估(Uncertainty 05 )
bull製作 Hologage 與微壓痕系統的置具整合反
射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統
與 Hologage 測試數據比較測深之不確定度
為 0014
bull受年中國內 SARS
疫情影響壓痕
系統原廠工程師
不敢至台灣協助
系統測試延至
8月初完成測深
校正與不確定度
評估
5校正精密天平 bull完成精密天平採購
bull完成精密天平評估
(Max100 gd=01 mg)
bull精密天平之規格如下
最小讀數 001 mg
最大秤量 101 g
再現性 0005 mg
線性度 plusmn 015 mg
bull原本向瑞士商 Mettler Toledo 採購因該天
平穩定性不足另向德商 Sartorius 採購相同
規格之天平
bull9 月初完成精密天平評估
bull原廠商 Mettler
Toledo 先後提
供的兩組精密天
平皆無法通過穩
定性測試於 6
月間緊急向德商
Sartorius 公司
採購於 9月初
完成精密天平評
估
- 12 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
6校正微壓痕系統之測試力量
bull完成微壓痕系統測試力
量(01~1000 mN)校正
方法研究
bull利用評估完成的精密天平完成測試力量校
正
bull無
7測試力量不確定度評估 bull完成測試力量不確定度
評估(Uncertainty 2
)
bull完成測試力量不確定度評估 01~1000 mN 相對
擴充不確定度小於 065
bull無
B建立micronewton範圍
量測系統
1精密微量天平評估 bull完成精密微量天平採購
與評估
bull精密微量天平之規格如下
最小讀數 01 μg
最大秤量 51 g
再現性 04 μg
bull廠商原提供的精密微量天平穩定性不足協調
廠商更換新品更換後的新品驗收後進行天平
線性校正7月中完成精密微量天平評估報
告
bull無
2Micronewton 量測系統
設計 bull完成 Micronewton量測
系統初步設計
bull整合微步進系統與微動平台設計置具整合壓
阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力
傳感晶片位置再使用微動平台移動微力傳感
晶片至精密微量天平
bull無
CMicronewton力量傳遞
標準研究
1委託學界進行懸臂樑
式力量傳感器之力量
分布設計製造
bull壓阻式力量傳感晶片我們考慮利用商用AFM探
針因為該項產品有專利保護其他公司(或
研究單位)不敢貿然協助本計劃開發相關產
品同時價格上與實用時程上商用壓阻式 AFM
探針都比較符合本實驗需求已採購數組晶片
進行初步研究
bull無
- 13 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D電流天平研究
1完成電流天平國外進
展(出國報告)
bull使用有限元素分析法計算電流天平結構與靜
電力等並與 NIST 實驗結果相互驗證
bull完成電流天平國外進展(出國報告)
bull無
E奈米尺寸薄膜
(50~100nm)波傳性質
理論研究
1完成奈米尺寸薄膜波
傳性質理論研究(技術
報告)
bull以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介
質表面波波傳行為
bull理論計算層狀物體頻散現象
bull無
- 14 -
3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
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(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
- 21 -
轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
- 22 -
法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
- 23 -
(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
- 24 -
grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
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本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
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附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 3 -
肆執行績效檢討
一與計畫符合情形
(一)進度與計畫符合情形
預定進度 實際進度
進度 月份
92年度
工作項目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A三維奈米尺寸標準及量
測技術分項計畫
干涉顯微鏡
干涉顯微鏡採購及測試
建立表粗參數分析模式
具追溯性三軸計量型原
子力顯微鏡
多功能掃描探針顯微鏡
採購及測試
三軸計量型原子力顯微
鏡設計
軟體驗證
B奈米元件機械性質量測
分項計畫
建立微壓痕量測系統
微壓痕量測系統操作分
析
微壓痕量測系統評估
Hologage 追溯
評估測深所造成之不確
定度
(3) (4) (5)
(12)(11)
(10)(9)(8)
(7)(6)
(1)
(2)
(4)
(2)(1)
(3)
- 4 -
進度 月份
92年度
工作項目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
校正精密天平
校正微壓痕系統之測試
力量
測試力量不確定度評估
建立 micronewton 範圍
量測系統
精密微量天平評估
Micronewton量測系統設
計
Micronewton力量傳遞
標準研究
委託學界進行懸臂樑氏
力量傳感器之力量分
布設計製造
電流天平研究
了解國外進展
C微流量測標準
MicroPIV 架構改良
CFD 微流數值模擬
微流道設計製作
量測方法評估
國際期刊投稿
(5) (6)
(7)
(8)
(10) (9)
(11)
(12)
(13)
(1)
(2)
(3) (4)
(5) (6)
(7)
- 5 -
(二)目標達成情形
1三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A干涉顯微鏡
1 干涉顯微鏡採購及測
試
bull92年 1 月收集及研讀干涉顯微鏡相關資料完
成干涉顯微鏡請購內部審查及採購量測
儀器於 4月中旬到貨(相移法解析度及重覆性
01 nm白光掃描行程大於 100 microm)
bull收集階高標準片資料(VLSITaylor Hobson
Mitutoyo)以用於干涉顯微鏡驗收測試在
階高量測方面以階高標準片及塊規扭合方
式進行干涉顯微鏡測試驗收並以階高標
準片進行白光掃描之 PZT 非線性位移測試及
重覆性測試另以光學平板進行雜訊與參考
面平坦度測試並於 92年 7 月完成驗收性能
測試(01 nm ~ 100 microm)測試結果附於 D300
細部設計書內
bull原預訂 2月完成
採購已提前於
1月完成
2 建立表粗參數分析模
式完成三維表面特徵
分析理論之建立
bull完成光學式與探針式表面形貌實測研究
bull收集表粗之國際規範進行白光掃描顯微鏡
aperture error 研究研究結果白光掃描干
涉術用在大階高量測時不受 aperture error
的影響
bull92年 4月研究PTB在大階高標準片之校正方法
並完成「三維表面分析理論與 PTB 於大階高
標準之校正方法」研究報告一篇
bull撰寫符合 ISO 5436 之階高定義的階高計算程
式及完成表面粗糙度濾波程式及條紋分析
法程式之撰寫及以 VLSI 表粗標準片分別測
試探針式量測儀和光學式量測儀的差異
bull無
- 6 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成三維表粗參數之分
析程式設計及系統細部
設計
bull完成光學式階高校正方法及評估模式建立92
年 12 月完成技術報告「階高標準片校正程
序-光學式」及「階高標準片校正之系統評估
報告-光學式」(在量測中心文件送審中)標
準檢驗局並於 921230 查訪光學式階高校正
系統
bull92年 12 月完成具追溯性干涉顯微鏡系統改裝
細部設計(3~100 microm)
bull92年 12月2日投稿ICMT 2003（International
Conference Mechatronics Technology）研
討會論文一篇rdquoError Source Analysis for
Step Height Measurementrdquo92年 10 月投稿
Optical Communications 第 226 期國際期刊
論文一篇rdquoMeasuring the thickness of
opaque plane-parallel parts using an
external cavity diode laser and a
double-ended interferometerrdquordquo
bull本年度預訂測試
干涉顯鏡的性
能及光學式和
探針式在表粗
量測的差異為
配合計畫能儘
速提供校正服
務本年度先研
究在 10 nm~3 microm
的階高絕對校
正3 microm~100 microm
擬於 93年繼續
進行評估
B具追溯性三軸計量型
原子力顯微鏡
1多功能掃描探針顯微
鏡採購及測試
bull搜集多功能掃描探針顯微鏡資料包括 DI
SEIKOQUESANTNT-MDTPSIA 等廠商製造
SPM 資料以開立採購規格(Z 軸解析度 01
nm行程 80times80times5 microm3)92年 2 月完成多功
能探針掃描顯微鏡購案內部審查採購案提
出議價訂約
bull多功能探針掃描顯微鏡及隔振台 7月初到貨
於 8月完成多功能探針掃描顯微鏡 Scanning
modeRangeNoise levelMaxData Image
等測試驗收
bull本案採購的多功
能 SPM 原預訂 7
月完成驗收測
試由於廠商在
測試 AFM 微影功
能和雜訊時無
法達系統規
格原製造廠在
8月送來新軟體
後己於 8月底
完成驗收測試
- 7 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull進行線距(Pitch)能力試驗參與單位有汎
達科榮台積電材料所精儀中心清
大等於 10 月下旬己完成量測分析結果及報
告預訂 93年度進行整理
2三軸計量型原子力顯
微鏡設計
bull完成具追溯性三軸 SPM
設計（研究報告）
bull92年 4 月完成具追溯性三軸 SPM 整體規格設
計10 月完成細部設計12 月完成三維計量
SPM 設計具追溯性多功能掃描探針顯微鏡系
統規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm3
隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm 以上
微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm 以上
符合計量結構對稱性Super-Invar
bull投稿 SPIE(The International Society for
Optical Engineering)國際研討會論文一篇rdquo
Pitch calibration by reflective laser
diffractionrdquo並於 8月參加該研討會及發表
論文投稿 ISMTII 研討會論文一篇rdquoPitch
calibration by an temperature-controlled
traceable atomic force microscope and a
laser diffractometerrdquo 並於 92年 11 月參
加該研討會及發表論文
bull無
C軟體驗證
bull完成軟體驗證規格設計 bull92年 4 月蒐集 NISTNPLPTB 軟體驗證資料
並配合標準計畫拜訪 NPL 的 Centre for
Mathematics and Scientific Computing
了解該部門軟體驗證方法之研究
bull無
- 8 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull依據 ISO 5436分正弦波三角波混合波
弧形波配合其他因子進行實驗設計擬用
於表粗參考資料庫規劃及用於 SPIP 軟體驗
證及研擬以不同軟體驗證 SRD 之統計方法
bull92年 6 月完成軟體驗證細部規格設計書
bull完成軟體驗證分析研究報告
bull進行 MSRD(Modify Standard Reference Data)
統計方法之探討及 MSRR(Modify Standard
Reference Results)與測試結果比較方法之
研究及進行 Reference Profile 與
Reference Software 在軟體驗證的架構和
軟體追溯層級設計
bull92年 12 月完成「量測軟體之追溯概念與統計
分析方法」之技術報告撰寫
bull92年 12 月 2日投稿 ICMT論文一篇rdquo Software
Verification for Roughness Parametersrdquo
92年 12月 12日投稿rdquo第八屆中華民國實驗室
管理與認證論文發表會rdquo論文一篇ldquo量測軟
體之追溯概念與統計分析方法
bull無
其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D角度原級標準及奈米
粒徑先期規劃
bull完成角度原級標準系統
規格設計 bull92年 2 月進行全周平均零誤差系統雛型信號
測試92年 6 月完成全周平均零誤差光柵設
計並送 NDL 製作92年 7 月通過中心內部
審查作業提出專利申請rdquo全周平均零誤差編
碼器rdquo92年 11 月 17 日完成專利申請作業
專利名稱rdquo光學式角度編碼器rdquo申請號碼
P07920010TW
bull無
- 9 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull92年 3 月搜集聯絡角度標準轉盤製作廠商
相關資料與 Aerotech Inc進行討論該廠商
所能製作角度原級標準之最佳能力
bull92年 6 月完成角度原級標準系統規格設計
bull完成角度原級標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 8 月分別向 AA GAGEAEROTECH和 PI 洽
詢委製事宜92年 8 月呂錦華出國赴美拜
訪了美國 PIAA GaugeAerotech 等精密製
造廠尋求角度標準轉盤委託製造92年 10
月~12月呂錦華赴德國PTB研習角度標準及校
正技術
bull92年 12 月完成角度原級標準系統細部規格
設計及研究技術報告撰寫
bull無
bull奈米粒徑先期規劃 bull92年 3 月搜集粒徑量測規範(CNSISOASTM
DIN)及拜訪台大化工系戴怡德教授討論粒
徑量測技術和能力試驗92年 4 月邀請台大
化工系戴怡德教授講授粉體粒徑量測技術及
討論能力試驗並購入 NIST SRM1963 100nm
amp SRM 1692 3microm 和 Duke Scientific 50nm 標
準粉體進行國內奈米粉體粒徑比對規劃
參與實驗室有台大北科大中科院成大
信昌公司德芮克盤拓工研院8月中旬
至 9月試驗樣品傳給參與單位進行能力試
驗92年 12 月完成rdquo奈米粉體粒徑量測能力
先期試驗rdquo技術報告撰寫
bull參與化工所舉辦的小角度X-ray散射儀(SAXS)
的訓練課程並參與 SAXS 組裝及測試92年 8
月 21~22 日參與化工所舉辦的小角度 X-ray
散射儀(SAXS)的訓練課程
bull無
E奈米膜厚標準先期規
劃
- 10 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成奈米膜厚標準系統
規格設計(設計規格書) bull購入 optical fiber amp collimation lens 用
於單波長光源膜厚量測測試
bull進行單波長雷射光源用於膜厚絕對量測模型
試驗完成單波長薄膜量測系統設計
bull92年 6 月完成奈米膜厚標準系統規格設計(設
計規格書)
無
bull完成奈米膜厚標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 12 月完成先期規劃及報告撰寫rdquo奈米薄
膜校定先期研究報告rdquo
bull無
- 11 -
2奈米元件機械性質量測分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A建立微壓痕量測系統
1微壓痕量測系統操作
分析
bull完成微壓痕系統操作手冊 bull無
2微壓痕量測系統評估 bull完成微壓痕量測系統評
估
bull評估項目包含測試力量測深零點壓頭尖
端半徑以及壓頭角度等五項壓痕測試系統的
擴充不確定度為 37
bull無
3 Hologage追溯 完成 Hologage 追溯
(Max002 mmd=100
nm)
bull完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10
nm)
bull無
4評估測深所造成之不確
定度 bull完成測深之不確定度評
估(Uncertainty 05 )
bull製作 Hologage 與微壓痕系統的置具整合反
射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統
與 Hologage 測試數據比較測深之不確定度
為 0014
bull受年中國內 SARS
疫情影響壓痕
系統原廠工程師
不敢至台灣協助
系統測試延至
8月初完成測深
校正與不確定度
評估
5校正精密天平 bull完成精密天平採購
bull完成精密天平評估
(Max100 gd=01 mg)
bull精密天平之規格如下
最小讀數 001 mg
最大秤量 101 g
再現性 0005 mg
線性度 plusmn 015 mg
bull原本向瑞士商 Mettler Toledo 採購因該天
平穩定性不足另向德商 Sartorius 採購相同
規格之天平
bull9 月初完成精密天平評估
bull原廠商 Mettler
Toledo 先後提
供的兩組精密天
平皆無法通過穩
定性測試於 6
月間緊急向德商
Sartorius 公司
採購於 9月初
完成精密天平評
估
- 12 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
6校正微壓痕系統之測試力量
bull完成微壓痕系統測試力
量(01~1000 mN)校正
方法研究
bull利用評估完成的精密天平完成測試力量校
正
bull無
7測試力量不確定度評估 bull完成測試力量不確定度
評估(Uncertainty 2
)
bull完成測試力量不確定度評估 01~1000 mN 相對
擴充不確定度小於 065
bull無
B建立micronewton範圍
量測系統
1精密微量天平評估 bull完成精密微量天平採購
與評估
bull精密微量天平之規格如下
最小讀數 01 μg
最大秤量 51 g
再現性 04 μg
bull廠商原提供的精密微量天平穩定性不足協調
廠商更換新品更換後的新品驗收後進行天平
線性校正7月中完成精密微量天平評估報
告
bull無
2Micronewton 量測系統
設計 bull完成 Micronewton量測
系統初步設計
bull整合微步進系統與微動平台設計置具整合壓
阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力
傳感晶片位置再使用微動平台移動微力傳感
晶片至精密微量天平
bull無
CMicronewton力量傳遞
標準研究
1委託學界進行懸臂樑
式力量傳感器之力量
分布設計製造
bull壓阻式力量傳感晶片我們考慮利用商用AFM探
針因為該項產品有專利保護其他公司(或
研究單位)不敢貿然協助本計劃開發相關產
品同時價格上與實用時程上商用壓阻式 AFM
探針都比較符合本實驗需求已採購數組晶片
進行初步研究
bull無
- 13 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D電流天平研究
1完成電流天平國外進
展(出國報告)
bull使用有限元素分析法計算電流天平結構與靜
電力等並與 NIST 實驗結果相互驗證
bull完成電流天平國外進展(出國報告)
bull無
E奈米尺寸薄膜
(50~100nm)波傳性質
理論研究
1完成奈米尺寸薄膜波
傳性質理論研究(技術
報告)
bull以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介
質表面波波傳行為
bull理論計算層狀物體頻散現象
bull無
- 14 -
3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
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本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
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(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
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2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
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三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
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轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
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法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
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(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
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- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
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陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
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使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
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測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
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附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
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附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
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附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
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附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
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(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
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項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
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附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
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(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
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附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
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附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 4 -
進度 月份
92年度
工作項目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
校正精密天平
校正微壓痕系統之測試
力量
測試力量不確定度評估
建立 micronewton 範圍
量測系統
精密微量天平評估
Micronewton量測系統設
計
Micronewton力量傳遞
標準研究
委託學界進行懸臂樑氏
力量傳感器之力量分
布設計製造
電流天平研究
了解國外進展
C微流量測標準
MicroPIV 架構改良
CFD 微流數值模擬
微流道設計製作
量測方法評估
國際期刊投稿
(5) (6)
(7)
(8)
(10) (9)
(11)
(12)
(13)
(1)
(2)
(3) (4)
(5) (6)
(7)
- 5 -
(二)目標達成情形
1三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A干涉顯微鏡
1 干涉顯微鏡採購及測
試
bull92年 1 月收集及研讀干涉顯微鏡相關資料完
成干涉顯微鏡請購內部審查及採購量測
儀器於 4月中旬到貨(相移法解析度及重覆性
01 nm白光掃描行程大於 100 microm)
bull收集階高標準片資料(VLSITaylor Hobson
Mitutoyo)以用於干涉顯微鏡驗收測試在
階高量測方面以階高標準片及塊規扭合方
式進行干涉顯微鏡測試驗收並以階高標
準片進行白光掃描之 PZT 非線性位移測試及
重覆性測試另以光學平板進行雜訊與參考
面平坦度測試並於 92年 7 月完成驗收性能
測試(01 nm ~ 100 microm)測試結果附於 D300
細部設計書內
bull原預訂 2月完成
採購已提前於
1月完成
2 建立表粗參數分析模
式完成三維表面特徵
分析理論之建立
bull完成光學式與探針式表面形貌實測研究
bull收集表粗之國際規範進行白光掃描顯微鏡
aperture error 研究研究結果白光掃描干
涉術用在大階高量測時不受 aperture error
的影響
bull92年 4月研究PTB在大階高標準片之校正方法
並完成「三維表面分析理論與 PTB 於大階高
標準之校正方法」研究報告一篇
bull撰寫符合 ISO 5436 之階高定義的階高計算程
式及完成表面粗糙度濾波程式及條紋分析
法程式之撰寫及以 VLSI 表粗標準片分別測
試探針式量測儀和光學式量測儀的差異
bull無
- 6 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成三維表粗參數之分
析程式設計及系統細部
設計
bull完成光學式階高校正方法及評估模式建立92
年 12 月完成技術報告「階高標準片校正程
序-光學式」及「階高標準片校正之系統評估
報告-光學式」(在量測中心文件送審中)標
準檢驗局並於 921230 查訪光學式階高校正
系統
bull92年 12 月完成具追溯性干涉顯微鏡系統改裝
細部設計(3~100 microm)
bull92年 12月2日投稿ICMT 2003（International
Conference Mechatronics Technology）研
討會論文一篇rdquoError Source Analysis for
Step Height Measurementrdquo92年 10 月投稿
Optical Communications 第 226 期國際期刊
論文一篇rdquoMeasuring the thickness of
opaque plane-parallel parts using an
external cavity diode laser and a
double-ended interferometerrdquordquo
bull本年度預訂測試
干涉顯鏡的性
能及光學式和
探針式在表粗
量測的差異為
配合計畫能儘
速提供校正服
務本年度先研
究在 10 nm~3 microm
的階高絕對校
正3 microm~100 microm
擬於 93年繼續
進行評估
B具追溯性三軸計量型
原子力顯微鏡
1多功能掃描探針顯微
鏡採購及測試
bull搜集多功能掃描探針顯微鏡資料包括 DI
SEIKOQUESANTNT-MDTPSIA 等廠商製造
SPM 資料以開立採購規格(Z 軸解析度 01
nm行程 80times80times5 microm3)92年 2 月完成多功
能探針掃描顯微鏡購案內部審查採購案提
出議價訂約
bull多功能探針掃描顯微鏡及隔振台 7月初到貨
於 8月完成多功能探針掃描顯微鏡 Scanning
modeRangeNoise levelMaxData Image
等測試驗收
bull本案採購的多功
能 SPM 原預訂 7
月完成驗收測
試由於廠商在
測試 AFM 微影功
能和雜訊時無
法達系統規
格原製造廠在
8月送來新軟體
後己於 8月底
完成驗收測試
- 7 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull進行線距(Pitch)能力試驗參與單位有汎
達科榮台積電材料所精儀中心清
大等於 10 月下旬己完成量測分析結果及報
告預訂 93年度進行整理
2三軸計量型原子力顯
微鏡設計
bull完成具追溯性三軸 SPM
設計（研究報告）
bull92年 4 月完成具追溯性三軸 SPM 整體規格設
計10 月完成細部設計12 月完成三維計量
SPM 設計具追溯性多功能掃描探針顯微鏡系
統規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm3
隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm 以上
微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm 以上
符合計量結構對稱性Super-Invar
bull投稿 SPIE(The International Society for
Optical Engineering)國際研討會論文一篇rdquo
Pitch calibration by reflective laser
diffractionrdquo並於 8月參加該研討會及發表
論文投稿 ISMTII 研討會論文一篇rdquoPitch
calibration by an temperature-controlled
traceable atomic force microscope and a
laser diffractometerrdquo 並於 92年 11 月參
加該研討會及發表論文
bull無
C軟體驗證
bull完成軟體驗證規格設計 bull92年 4 月蒐集 NISTNPLPTB 軟體驗證資料
並配合標準計畫拜訪 NPL 的 Centre for
Mathematics and Scientific Computing
了解該部門軟體驗證方法之研究
bull無
- 8 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull依據 ISO 5436分正弦波三角波混合波
弧形波配合其他因子進行實驗設計擬用
於表粗參考資料庫規劃及用於 SPIP 軟體驗
證及研擬以不同軟體驗證 SRD 之統計方法
bull92年 6 月完成軟體驗證細部規格設計書
bull完成軟體驗證分析研究報告
bull進行 MSRD(Modify Standard Reference Data)
統計方法之探討及 MSRR(Modify Standard
Reference Results)與測試結果比較方法之
研究及進行 Reference Profile 與
Reference Software 在軟體驗證的架構和
軟體追溯層級設計
bull92年 12 月完成「量測軟體之追溯概念與統計
分析方法」之技術報告撰寫
bull92年 12 月 2日投稿 ICMT論文一篇rdquo Software
Verification for Roughness Parametersrdquo
92年 12月 12日投稿rdquo第八屆中華民國實驗室
管理與認證論文發表會rdquo論文一篇ldquo量測軟
體之追溯概念與統計分析方法
bull無
其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D角度原級標準及奈米
粒徑先期規劃
bull完成角度原級標準系統
規格設計 bull92年 2 月進行全周平均零誤差系統雛型信號
測試92年 6 月完成全周平均零誤差光柵設
計並送 NDL 製作92年 7 月通過中心內部
審查作業提出專利申請rdquo全周平均零誤差編
碼器rdquo92年 11 月 17 日完成專利申請作業
專利名稱rdquo光學式角度編碼器rdquo申請號碼
P07920010TW
bull無
- 9 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull92年 3 月搜集聯絡角度標準轉盤製作廠商
相關資料與 Aerotech Inc進行討論該廠商
所能製作角度原級標準之最佳能力
bull92年 6 月完成角度原級標準系統規格設計
bull完成角度原級標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 8 月分別向 AA GAGEAEROTECH和 PI 洽
詢委製事宜92年 8 月呂錦華出國赴美拜
訪了美國 PIAA GaugeAerotech 等精密製
造廠尋求角度標準轉盤委託製造92年 10
月~12月呂錦華赴德國PTB研習角度標準及校
正技術
bull92年 12 月完成角度原級標準系統細部規格
設計及研究技術報告撰寫
bull無
bull奈米粒徑先期規劃 bull92年 3 月搜集粒徑量測規範(CNSISOASTM
DIN)及拜訪台大化工系戴怡德教授討論粒
徑量測技術和能力試驗92年 4 月邀請台大
化工系戴怡德教授講授粉體粒徑量測技術及
討論能力試驗並購入 NIST SRM1963 100nm
amp SRM 1692 3microm 和 Duke Scientific 50nm 標
準粉體進行國內奈米粉體粒徑比對規劃
參與實驗室有台大北科大中科院成大
信昌公司德芮克盤拓工研院8月中旬
至 9月試驗樣品傳給參與單位進行能力試
驗92年 12 月完成rdquo奈米粉體粒徑量測能力
先期試驗rdquo技術報告撰寫
bull參與化工所舉辦的小角度X-ray散射儀(SAXS)
的訓練課程並參與 SAXS 組裝及測試92年 8
月 21~22 日參與化工所舉辦的小角度 X-ray
散射儀(SAXS)的訓練課程
bull無
E奈米膜厚標準先期規
劃
- 10 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成奈米膜厚標準系統
規格設計(設計規格書) bull購入 optical fiber amp collimation lens 用
於單波長光源膜厚量測測試
bull進行單波長雷射光源用於膜厚絕對量測模型
試驗完成單波長薄膜量測系統設計
bull92年 6 月完成奈米膜厚標準系統規格設計(設
計規格書)
無
bull完成奈米膜厚標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 12 月完成先期規劃及報告撰寫rdquo奈米薄
膜校定先期研究報告rdquo
bull無
- 11 -
2奈米元件機械性質量測分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A建立微壓痕量測系統
1微壓痕量測系統操作
分析
bull完成微壓痕系統操作手冊 bull無
2微壓痕量測系統評估 bull完成微壓痕量測系統評
估
bull評估項目包含測試力量測深零點壓頭尖
端半徑以及壓頭角度等五項壓痕測試系統的
擴充不確定度為 37
bull無
3 Hologage追溯 完成 Hologage 追溯
(Max002 mmd=100
nm)
bull完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10
nm)
bull無
4評估測深所造成之不確
定度 bull完成測深之不確定度評
估(Uncertainty 05 )
bull製作 Hologage 與微壓痕系統的置具整合反
射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統
與 Hologage 測試數據比較測深之不確定度
為 0014
bull受年中國內 SARS
疫情影響壓痕
系統原廠工程師
不敢至台灣協助
系統測試延至
8月初完成測深
校正與不確定度
評估
5校正精密天平 bull完成精密天平採購
bull完成精密天平評估
(Max100 gd=01 mg)
bull精密天平之規格如下
最小讀數 001 mg
最大秤量 101 g
再現性 0005 mg
線性度 plusmn 015 mg
bull原本向瑞士商 Mettler Toledo 採購因該天
平穩定性不足另向德商 Sartorius 採購相同
規格之天平
bull9 月初完成精密天平評估
bull原廠商 Mettler
Toledo 先後提
供的兩組精密天
平皆無法通過穩
定性測試於 6
月間緊急向德商
Sartorius 公司
採購於 9月初
完成精密天平評
估
- 12 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
6校正微壓痕系統之測試力量
bull完成微壓痕系統測試力
量(01~1000 mN)校正
方法研究
bull利用評估完成的精密天平完成測試力量校
正
bull無
7測試力量不確定度評估 bull完成測試力量不確定度
評估(Uncertainty 2
)
bull完成測試力量不確定度評估 01~1000 mN 相對
擴充不確定度小於 065
bull無
B建立micronewton範圍
量測系統
1精密微量天平評估 bull完成精密微量天平採購
與評估
bull精密微量天平之規格如下
最小讀數 01 μg
最大秤量 51 g
再現性 04 μg
bull廠商原提供的精密微量天平穩定性不足協調
廠商更換新品更換後的新品驗收後進行天平
線性校正7月中完成精密微量天平評估報
告
bull無
2Micronewton 量測系統
設計 bull完成 Micronewton量測
系統初步設計
bull整合微步進系統與微動平台設計置具整合壓
阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力
傳感晶片位置再使用微動平台移動微力傳感
晶片至精密微量天平
bull無
CMicronewton力量傳遞
標準研究
1委託學界進行懸臂樑
式力量傳感器之力量
分布設計製造
bull壓阻式力量傳感晶片我們考慮利用商用AFM探
針因為該項產品有專利保護其他公司(或
研究單位)不敢貿然協助本計劃開發相關產
品同時價格上與實用時程上商用壓阻式 AFM
探針都比較符合本實驗需求已採購數組晶片
進行初步研究
bull無
- 13 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D電流天平研究
1完成電流天平國外進
展(出國報告)
bull使用有限元素分析法計算電流天平結構與靜
電力等並與 NIST 實驗結果相互驗證
bull完成電流天平國外進展(出國報告)
bull無
E奈米尺寸薄膜
(50~100nm)波傳性質
理論研究
1完成奈米尺寸薄膜波
傳性質理論研究(技術
報告)
bull以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介
質表面波波傳行為
bull理論計算層狀物體頻散現象
bull無
- 14 -
3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
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(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
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2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
- 21 -
轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
- 22 -
法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
- 23 -
(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 5 -
(二)目標達成情形
1三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A干涉顯微鏡
1 干涉顯微鏡採購及測
試
bull92年 1 月收集及研讀干涉顯微鏡相關資料完
成干涉顯微鏡請購內部審查及採購量測
儀器於 4月中旬到貨(相移法解析度及重覆性
01 nm白光掃描行程大於 100 microm)
bull收集階高標準片資料(VLSITaylor Hobson
Mitutoyo)以用於干涉顯微鏡驗收測試在
階高量測方面以階高標準片及塊規扭合方
式進行干涉顯微鏡測試驗收並以階高標
準片進行白光掃描之 PZT 非線性位移測試及
重覆性測試另以光學平板進行雜訊與參考
面平坦度測試並於 92年 7 月完成驗收性能
測試(01 nm ~ 100 microm)測試結果附於 D300
細部設計書內
bull原預訂 2月完成
採購已提前於
1月完成
2 建立表粗參數分析模
式完成三維表面特徵
分析理論之建立
bull完成光學式與探針式表面形貌實測研究
bull收集表粗之國際規範進行白光掃描顯微鏡
aperture error 研究研究結果白光掃描干
涉術用在大階高量測時不受 aperture error
的影響
bull92年 4月研究PTB在大階高標準片之校正方法
並完成「三維表面分析理論與 PTB 於大階高
標準之校正方法」研究報告一篇
bull撰寫符合 ISO 5436 之階高定義的階高計算程
式及完成表面粗糙度濾波程式及條紋分析
法程式之撰寫及以 VLSI 表粗標準片分別測
試探針式量測儀和光學式量測儀的差異
bull無
- 6 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成三維表粗參數之分
析程式設計及系統細部
設計
bull完成光學式階高校正方法及評估模式建立92
年 12 月完成技術報告「階高標準片校正程
序-光學式」及「階高標準片校正之系統評估
報告-光學式」(在量測中心文件送審中)標
準檢驗局並於 921230 查訪光學式階高校正
系統
bull92年 12 月完成具追溯性干涉顯微鏡系統改裝
細部設計(3~100 microm)
bull92年 12月2日投稿ICMT 2003（International
Conference Mechatronics Technology）研
討會論文一篇rdquoError Source Analysis for
Step Height Measurementrdquo92年 10 月投稿
Optical Communications 第 226 期國際期刊
論文一篇rdquoMeasuring the thickness of
opaque plane-parallel parts using an
external cavity diode laser and a
double-ended interferometerrdquordquo
bull本年度預訂測試
干涉顯鏡的性
能及光學式和
探針式在表粗
量測的差異為
配合計畫能儘
速提供校正服
務本年度先研
究在 10 nm~3 microm
的階高絕對校
正3 microm~100 microm
擬於 93年繼續
進行評估
B具追溯性三軸計量型
原子力顯微鏡
1多功能掃描探針顯微
鏡採購及測試
bull搜集多功能掃描探針顯微鏡資料包括 DI
SEIKOQUESANTNT-MDTPSIA 等廠商製造
SPM 資料以開立採購規格(Z 軸解析度 01
nm行程 80times80times5 microm3)92年 2 月完成多功
能探針掃描顯微鏡購案內部審查採購案提
出議價訂約
bull多功能探針掃描顯微鏡及隔振台 7月初到貨
於 8月完成多功能探針掃描顯微鏡 Scanning
modeRangeNoise levelMaxData Image
等測試驗收
bull本案採購的多功
能 SPM 原預訂 7
月完成驗收測
試由於廠商在
測試 AFM 微影功
能和雜訊時無
法達系統規
格原製造廠在
8月送來新軟體
後己於 8月底
完成驗收測試
- 7 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull進行線距(Pitch)能力試驗參與單位有汎
達科榮台積電材料所精儀中心清
大等於 10 月下旬己完成量測分析結果及報
告預訂 93年度進行整理
2三軸計量型原子力顯
微鏡設計
bull完成具追溯性三軸 SPM
設計（研究報告）
bull92年 4 月完成具追溯性三軸 SPM 整體規格設
計10 月完成細部設計12 月完成三維計量
SPM 設計具追溯性多功能掃描探針顯微鏡系
統規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm3
隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm 以上
微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm 以上
符合計量結構對稱性Super-Invar
bull投稿 SPIE(The International Society for
Optical Engineering)國際研討會論文一篇rdquo
Pitch calibration by reflective laser
diffractionrdquo並於 8月參加該研討會及發表
論文投稿 ISMTII 研討會論文一篇rdquoPitch
calibration by an temperature-controlled
traceable atomic force microscope and a
laser diffractometerrdquo 並於 92年 11 月參
加該研討會及發表論文
bull無
C軟體驗證
bull完成軟體驗證規格設計 bull92年 4 月蒐集 NISTNPLPTB 軟體驗證資料
並配合標準計畫拜訪 NPL 的 Centre for
Mathematics and Scientific Computing
了解該部門軟體驗證方法之研究
bull無
- 8 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull依據 ISO 5436分正弦波三角波混合波
弧形波配合其他因子進行實驗設計擬用
於表粗參考資料庫規劃及用於 SPIP 軟體驗
證及研擬以不同軟體驗證 SRD 之統計方法
bull92年 6 月完成軟體驗證細部規格設計書
bull完成軟體驗證分析研究報告
bull進行 MSRD(Modify Standard Reference Data)
統計方法之探討及 MSRR(Modify Standard
Reference Results)與測試結果比較方法之
研究及進行 Reference Profile 與
Reference Software 在軟體驗證的架構和
軟體追溯層級設計
bull92年 12 月完成「量測軟體之追溯概念與統計
分析方法」之技術報告撰寫
bull92年 12 月 2日投稿 ICMT論文一篇rdquo Software
Verification for Roughness Parametersrdquo
92年 12月 12日投稿rdquo第八屆中華民國實驗室
管理與認證論文發表會rdquo論文一篇ldquo量測軟
體之追溯概念與統計分析方法
bull無
其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D角度原級標準及奈米
粒徑先期規劃
bull完成角度原級標準系統
規格設計 bull92年 2 月進行全周平均零誤差系統雛型信號
測試92年 6 月完成全周平均零誤差光柵設
計並送 NDL 製作92年 7 月通過中心內部
審查作業提出專利申請rdquo全周平均零誤差編
碼器rdquo92年 11 月 17 日完成專利申請作業
專利名稱rdquo光學式角度編碼器rdquo申請號碼
P07920010TW
bull無
- 9 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull92年 3 月搜集聯絡角度標準轉盤製作廠商
相關資料與 Aerotech Inc進行討論該廠商
所能製作角度原級標準之最佳能力
bull92年 6 月完成角度原級標準系統規格設計
bull完成角度原級標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 8 月分別向 AA GAGEAEROTECH和 PI 洽
詢委製事宜92年 8 月呂錦華出國赴美拜
訪了美國 PIAA GaugeAerotech 等精密製
造廠尋求角度標準轉盤委託製造92年 10
月~12月呂錦華赴德國PTB研習角度標準及校
正技術
bull92年 12 月完成角度原級標準系統細部規格
設計及研究技術報告撰寫
bull無
bull奈米粒徑先期規劃 bull92年 3 月搜集粒徑量測規範(CNSISOASTM
DIN)及拜訪台大化工系戴怡德教授討論粒
徑量測技術和能力試驗92年 4 月邀請台大
化工系戴怡德教授講授粉體粒徑量測技術及
討論能力試驗並購入 NIST SRM1963 100nm
amp SRM 1692 3microm 和 Duke Scientific 50nm 標
準粉體進行國內奈米粉體粒徑比對規劃
參與實驗室有台大北科大中科院成大
信昌公司德芮克盤拓工研院8月中旬
至 9月試驗樣品傳給參與單位進行能力試
驗92年 12 月完成rdquo奈米粉體粒徑量測能力
先期試驗rdquo技術報告撰寫
bull參與化工所舉辦的小角度X-ray散射儀(SAXS)
的訓練課程並參與 SAXS 組裝及測試92年 8
月 21~22 日參與化工所舉辦的小角度 X-ray
散射儀(SAXS)的訓練課程
bull無
E奈米膜厚標準先期規
劃
- 10 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成奈米膜厚標準系統
規格設計(設計規格書) bull購入 optical fiber amp collimation lens 用
於單波長光源膜厚量測測試
bull進行單波長雷射光源用於膜厚絕對量測模型
試驗完成單波長薄膜量測系統設計
bull92年 6 月完成奈米膜厚標準系統規格設計(設
計規格書)
無
bull完成奈米膜厚標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 12 月完成先期規劃及報告撰寫rdquo奈米薄
膜校定先期研究報告rdquo
bull無
- 11 -
2奈米元件機械性質量測分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A建立微壓痕量測系統
1微壓痕量測系統操作
分析
bull完成微壓痕系統操作手冊 bull無
2微壓痕量測系統評估 bull完成微壓痕量測系統評
估
bull評估項目包含測試力量測深零點壓頭尖
端半徑以及壓頭角度等五項壓痕測試系統的
擴充不確定度為 37
bull無
3 Hologage追溯 完成 Hologage 追溯
(Max002 mmd=100
nm)
bull完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10
nm)
bull無
4評估測深所造成之不確
定度 bull完成測深之不確定度評
估(Uncertainty 05 )
bull製作 Hologage 與微壓痕系統的置具整合反
射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統
與 Hologage 測試數據比較測深之不確定度
為 0014
bull受年中國內 SARS
疫情影響壓痕
系統原廠工程師
不敢至台灣協助
系統測試延至
8月初完成測深
校正與不確定度
評估
5校正精密天平 bull完成精密天平採購
bull完成精密天平評估
(Max100 gd=01 mg)
bull精密天平之規格如下
最小讀數 001 mg
最大秤量 101 g
再現性 0005 mg
線性度 plusmn 015 mg
bull原本向瑞士商 Mettler Toledo 採購因該天
平穩定性不足另向德商 Sartorius 採購相同
規格之天平
bull9 月初完成精密天平評估
bull原廠商 Mettler
Toledo 先後提
供的兩組精密天
平皆無法通過穩
定性測試於 6
月間緊急向德商
Sartorius 公司
採購於 9月初
完成精密天平評
估
- 12 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
6校正微壓痕系統之測試力量
bull完成微壓痕系統測試力
量(01~1000 mN)校正
方法研究
bull利用評估完成的精密天平完成測試力量校
正
bull無
7測試力量不確定度評估 bull完成測試力量不確定度
評估(Uncertainty 2
)
bull完成測試力量不確定度評估 01~1000 mN 相對
擴充不確定度小於 065
bull無
B建立micronewton範圍
量測系統
1精密微量天平評估 bull完成精密微量天平採購
與評估
bull精密微量天平之規格如下
最小讀數 01 μg
最大秤量 51 g
再現性 04 μg
bull廠商原提供的精密微量天平穩定性不足協調
廠商更換新品更換後的新品驗收後進行天平
線性校正7月中完成精密微量天平評估報
告
bull無
2Micronewton 量測系統
設計 bull完成 Micronewton量測
系統初步設計
bull整合微步進系統與微動平台設計置具整合壓
阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力
傳感晶片位置再使用微動平台移動微力傳感
晶片至精密微量天平
bull無
CMicronewton力量傳遞
標準研究
1委託學界進行懸臂樑
式力量傳感器之力量
分布設計製造
bull壓阻式力量傳感晶片我們考慮利用商用AFM探
針因為該項產品有專利保護其他公司(或
研究單位)不敢貿然協助本計劃開發相關產
品同時價格上與實用時程上商用壓阻式 AFM
探針都比較符合本實驗需求已採購數組晶片
進行初步研究
bull無
- 13 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D電流天平研究
1完成電流天平國外進
展(出國報告)
bull使用有限元素分析法計算電流天平結構與靜
電力等並與 NIST 實驗結果相互驗證
bull完成電流天平國外進展(出國報告)
bull無
E奈米尺寸薄膜
(50~100nm)波傳性質
理論研究
1完成奈米尺寸薄膜波
傳性質理論研究(技術
報告)
bull以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介
質表面波波傳行為
bull理論計算層狀物體頻散現象
bull無
- 14 -
3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
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4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
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本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
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(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
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2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
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三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
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轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
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法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
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(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
- 29 -
commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
- 30 -
Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
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The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 6 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成三維表粗參數之分
析程式設計及系統細部
設計
bull完成光學式階高校正方法及評估模式建立92
年 12 月完成技術報告「階高標準片校正程
序-光學式」及「階高標準片校正之系統評估
報告-光學式」(在量測中心文件送審中)標
準檢驗局並於 921230 查訪光學式階高校正
系統
bull92年 12 月完成具追溯性干涉顯微鏡系統改裝
細部設計(3~100 microm)
bull92年 12月2日投稿ICMT 2003（International
Conference Mechatronics Technology）研
討會論文一篇rdquoError Source Analysis for
Step Height Measurementrdquo92年 10 月投稿
Optical Communications 第 226 期國際期刊
論文一篇rdquoMeasuring the thickness of
opaque plane-parallel parts using an
external cavity diode laser and a
double-ended interferometerrdquordquo
bull本年度預訂測試
干涉顯鏡的性
能及光學式和
探針式在表粗
量測的差異為
配合計畫能儘
速提供校正服
務本年度先研
究在 10 nm~3 microm
的階高絕對校
正3 microm~100 microm
擬於 93年繼續
進行評估
B具追溯性三軸計量型
原子力顯微鏡
1多功能掃描探針顯微
鏡採購及測試
bull搜集多功能掃描探針顯微鏡資料包括 DI
SEIKOQUESANTNT-MDTPSIA 等廠商製造
SPM 資料以開立採購規格(Z 軸解析度 01
nm行程 80times80times5 microm3)92年 2 月完成多功
能探針掃描顯微鏡購案內部審查採購案提
出議價訂約
bull多功能探針掃描顯微鏡及隔振台 7月初到貨
於 8月完成多功能探針掃描顯微鏡 Scanning
modeRangeNoise levelMaxData Image
等測試驗收
bull本案採購的多功
能 SPM 原預訂 7
月完成驗收測
試由於廠商在
測試 AFM 微影功
能和雜訊時無
法達系統規
格原製造廠在
8月送來新軟體
後己於 8月底
完成驗收測試
- 7 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull進行線距(Pitch)能力試驗參與單位有汎
達科榮台積電材料所精儀中心清
大等於 10 月下旬己完成量測分析結果及報
告預訂 93年度進行整理
2三軸計量型原子力顯
微鏡設計
bull完成具追溯性三軸 SPM
設計（研究報告）
bull92年 4 月完成具追溯性三軸 SPM 整體規格設
計10 月完成細部設計12 月完成三維計量
SPM 設計具追溯性多功能掃描探針顯微鏡系
統規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm3
隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm 以上
微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm 以上
符合計量結構對稱性Super-Invar
bull投稿 SPIE(The International Society for
Optical Engineering)國際研討會論文一篇rdquo
Pitch calibration by reflective laser
diffractionrdquo並於 8月參加該研討會及發表
論文投稿 ISMTII 研討會論文一篇rdquoPitch
calibration by an temperature-controlled
traceable atomic force microscope and a
laser diffractometerrdquo 並於 92年 11 月參
加該研討會及發表論文
bull無
C軟體驗證
bull完成軟體驗證規格設計 bull92年 4 月蒐集 NISTNPLPTB 軟體驗證資料
並配合標準計畫拜訪 NPL 的 Centre for
Mathematics and Scientific Computing
了解該部門軟體驗證方法之研究
bull無
- 8 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull依據 ISO 5436分正弦波三角波混合波
弧形波配合其他因子進行實驗設計擬用
於表粗參考資料庫規劃及用於 SPIP 軟體驗
證及研擬以不同軟體驗證 SRD 之統計方法
bull92年 6 月完成軟體驗證細部規格設計書
bull完成軟體驗證分析研究報告
bull進行 MSRD(Modify Standard Reference Data)
統計方法之探討及 MSRR(Modify Standard
Reference Results)與測試結果比較方法之
研究及進行 Reference Profile 與
Reference Software 在軟體驗證的架構和
軟體追溯層級設計
bull92年 12 月完成「量測軟體之追溯概念與統計
分析方法」之技術報告撰寫
bull92年 12 月 2日投稿 ICMT論文一篇rdquo Software
Verification for Roughness Parametersrdquo
92年 12月 12日投稿rdquo第八屆中華民國實驗室
管理與認證論文發表會rdquo論文一篇ldquo量測軟
體之追溯概念與統計分析方法
bull無
其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D角度原級標準及奈米
粒徑先期規劃
bull完成角度原級標準系統
規格設計 bull92年 2 月進行全周平均零誤差系統雛型信號
測試92年 6 月完成全周平均零誤差光柵設
計並送 NDL 製作92年 7 月通過中心內部
審查作業提出專利申請rdquo全周平均零誤差編
碼器rdquo92年 11 月 17 日完成專利申請作業
專利名稱rdquo光學式角度編碼器rdquo申請號碼
P07920010TW
bull無
- 9 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull92年 3 月搜集聯絡角度標準轉盤製作廠商
相關資料與 Aerotech Inc進行討論該廠商
所能製作角度原級標準之最佳能力
bull92年 6 月完成角度原級標準系統規格設計
bull完成角度原級標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 8 月分別向 AA GAGEAEROTECH和 PI 洽
詢委製事宜92年 8 月呂錦華出國赴美拜
訪了美國 PIAA GaugeAerotech 等精密製
造廠尋求角度標準轉盤委託製造92年 10
月~12月呂錦華赴德國PTB研習角度標準及校
正技術
bull92年 12 月完成角度原級標準系統細部規格
設計及研究技術報告撰寫
bull無
bull奈米粒徑先期規劃 bull92年 3 月搜集粒徑量測規範(CNSISOASTM
DIN)及拜訪台大化工系戴怡德教授討論粒
徑量測技術和能力試驗92年 4 月邀請台大
化工系戴怡德教授講授粉體粒徑量測技術及
討論能力試驗並購入 NIST SRM1963 100nm
amp SRM 1692 3microm 和 Duke Scientific 50nm 標
準粉體進行國內奈米粉體粒徑比對規劃
參與實驗室有台大北科大中科院成大
信昌公司德芮克盤拓工研院8月中旬
至 9月試驗樣品傳給參與單位進行能力試
驗92年 12 月完成rdquo奈米粉體粒徑量測能力
先期試驗rdquo技術報告撰寫
bull參與化工所舉辦的小角度X-ray散射儀(SAXS)
的訓練課程並參與 SAXS 組裝及測試92年 8
月 21~22 日參與化工所舉辦的小角度 X-ray
散射儀(SAXS)的訓練課程
bull無
E奈米膜厚標準先期規
劃
- 10 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成奈米膜厚標準系統
規格設計(設計規格書) bull購入 optical fiber amp collimation lens 用
於單波長光源膜厚量測測試
bull進行單波長雷射光源用於膜厚絕對量測模型
試驗完成單波長薄膜量測系統設計
bull92年 6 月完成奈米膜厚標準系統規格設計(設
計規格書)
無
bull完成奈米膜厚標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 12 月完成先期規劃及報告撰寫rdquo奈米薄
膜校定先期研究報告rdquo
bull無
- 11 -
2奈米元件機械性質量測分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A建立微壓痕量測系統
1微壓痕量測系統操作
分析
bull完成微壓痕系統操作手冊 bull無
2微壓痕量測系統評估 bull完成微壓痕量測系統評
估
bull評估項目包含測試力量測深零點壓頭尖
端半徑以及壓頭角度等五項壓痕測試系統的
擴充不確定度為 37
bull無
3 Hologage追溯 完成 Hologage 追溯
(Max002 mmd=100
nm)
bull完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10
nm)
bull無
4評估測深所造成之不確
定度 bull完成測深之不確定度評
估(Uncertainty 05 )
bull製作 Hologage 與微壓痕系統的置具整合反
射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統
與 Hologage 測試數據比較測深之不確定度
為 0014
bull受年中國內 SARS
疫情影響壓痕
系統原廠工程師
不敢至台灣協助
系統測試延至
8月初完成測深
校正與不確定度
評估
5校正精密天平 bull完成精密天平採購
bull完成精密天平評估
(Max100 gd=01 mg)
bull精密天平之規格如下
最小讀數 001 mg
最大秤量 101 g
再現性 0005 mg
線性度 plusmn 015 mg
bull原本向瑞士商 Mettler Toledo 採購因該天
平穩定性不足另向德商 Sartorius 採購相同
規格之天平
bull9 月初完成精密天平評估
bull原廠商 Mettler
Toledo 先後提
供的兩組精密天
平皆無法通過穩
定性測試於 6
月間緊急向德商
Sartorius 公司
採購於 9月初
完成精密天平評
估
- 12 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
6校正微壓痕系統之測試力量
bull完成微壓痕系統測試力
量(01~1000 mN)校正
方法研究
bull利用評估完成的精密天平完成測試力量校
正
bull無
7測試力量不確定度評估 bull完成測試力量不確定度
評估(Uncertainty 2
)
bull完成測試力量不確定度評估 01~1000 mN 相對
擴充不確定度小於 065
bull無
B建立micronewton範圍
量測系統
1精密微量天平評估 bull完成精密微量天平採購
與評估
bull精密微量天平之規格如下
最小讀數 01 μg
最大秤量 51 g
再現性 04 μg
bull廠商原提供的精密微量天平穩定性不足協調
廠商更換新品更換後的新品驗收後進行天平
線性校正7月中完成精密微量天平評估報
告
bull無
2Micronewton 量測系統
設計 bull完成 Micronewton量測
系統初步設計
bull整合微步進系統與微動平台設計置具整合壓
阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力
傳感晶片位置再使用微動平台移動微力傳感
晶片至精密微量天平
bull無
CMicronewton力量傳遞
標準研究
1委託學界進行懸臂樑
式力量傳感器之力量
分布設計製造
bull壓阻式力量傳感晶片我們考慮利用商用AFM探
針因為該項產品有專利保護其他公司(或
研究單位)不敢貿然協助本計劃開發相關產
品同時價格上與實用時程上商用壓阻式 AFM
探針都比較符合本實驗需求已採購數組晶片
進行初步研究
bull無
- 13 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D電流天平研究
1完成電流天平國外進
展(出國報告)
bull使用有限元素分析法計算電流天平結構與靜
電力等並與 NIST 實驗結果相互驗證
bull完成電流天平國外進展(出國報告)
bull無
E奈米尺寸薄膜
(50~100nm)波傳性質
理論研究
1完成奈米尺寸薄膜波
傳性質理論研究(技術
報告)
bull以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介
質表面波波傳行為
bull理論計算層狀物體頻散現象
bull無
- 14 -
3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
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(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
- 21 -
轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
- 22 -
法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
- 23 -
(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
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本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 7 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull進行線距(Pitch)能力試驗參與單位有汎
達科榮台積電材料所精儀中心清
大等於 10 月下旬己完成量測分析結果及報
告預訂 93年度進行整理
2三軸計量型原子力顯
微鏡設計
bull完成具追溯性三軸 SPM
設計（研究報告）
bull92年 4 月完成具追溯性三軸 SPM 整體規格設
計10 月完成細部設計12 月完成三維計量
SPM 設計具追溯性多功能掃描探針顯微鏡系
統規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm3
隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm 以上
微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm 以上
符合計量結構對稱性Super-Invar
bull投稿 SPIE(The International Society for
Optical Engineering)國際研討會論文一篇rdquo
Pitch calibration by reflective laser
diffractionrdquo並於 8月參加該研討會及發表
論文投稿 ISMTII 研討會論文一篇rdquoPitch
calibration by an temperature-controlled
traceable atomic force microscope and a
laser diffractometerrdquo 並於 92年 11 月參
加該研討會及發表論文
bull無
C軟體驗證
bull完成軟體驗證規格設計 bull92年 4 月蒐集 NISTNPLPTB 軟體驗證資料
並配合標準計畫拜訪 NPL 的 Centre for
Mathematics and Scientific Computing
了解該部門軟體驗證方法之研究
bull無
- 8 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull依據 ISO 5436分正弦波三角波混合波
弧形波配合其他因子進行實驗設計擬用
於表粗參考資料庫規劃及用於 SPIP 軟體驗
證及研擬以不同軟體驗證 SRD 之統計方法
bull92年 6 月完成軟體驗證細部規格設計書
bull完成軟體驗證分析研究報告
bull進行 MSRD(Modify Standard Reference Data)
統計方法之探討及 MSRR(Modify Standard
Reference Results)與測試結果比較方法之
研究及進行 Reference Profile 與
Reference Software 在軟體驗證的架構和
軟體追溯層級設計
bull92年 12 月完成「量測軟體之追溯概念與統計
分析方法」之技術報告撰寫
bull92年 12 月 2日投稿 ICMT論文一篇rdquo Software
Verification for Roughness Parametersrdquo
92年 12月 12日投稿rdquo第八屆中華民國實驗室
管理與認證論文發表會rdquo論文一篇ldquo量測軟
體之追溯概念與統計分析方法
bull無
其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D角度原級標準及奈米
粒徑先期規劃
bull完成角度原級標準系統
規格設計 bull92年 2 月進行全周平均零誤差系統雛型信號
測試92年 6 月完成全周平均零誤差光柵設
計並送 NDL 製作92年 7 月通過中心內部
審查作業提出專利申請rdquo全周平均零誤差編
碼器rdquo92年 11 月 17 日完成專利申請作業
專利名稱rdquo光學式角度編碼器rdquo申請號碼
P07920010TW
bull無
- 9 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull92年 3 月搜集聯絡角度標準轉盤製作廠商
相關資料與 Aerotech Inc進行討論該廠商
所能製作角度原級標準之最佳能力
bull92年 6 月完成角度原級標準系統規格設計
bull完成角度原級標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 8 月分別向 AA GAGEAEROTECH和 PI 洽
詢委製事宜92年 8 月呂錦華出國赴美拜
訪了美國 PIAA GaugeAerotech 等精密製
造廠尋求角度標準轉盤委託製造92年 10
月~12月呂錦華赴德國PTB研習角度標準及校
正技術
bull92年 12 月完成角度原級標準系統細部規格
設計及研究技術報告撰寫
bull無
bull奈米粒徑先期規劃 bull92年 3 月搜集粒徑量測規範(CNSISOASTM
DIN)及拜訪台大化工系戴怡德教授討論粒
徑量測技術和能力試驗92年 4 月邀請台大
化工系戴怡德教授講授粉體粒徑量測技術及
討論能力試驗並購入 NIST SRM1963 100nm
amp SRM 1692 3microm 和 Duke Scientific 50nm 標
準粉體進行國內奈米粉體粒徑比對規劃
參與實驗室有台大北科大中科院成大
信昌公司德芮克盤拓工研院8月中旬
至 9月試驗樣品傳給參與單位進行能力試
驗92年 12 月完成rdquo奈米粉體粒徑量測能力
先期試驗rdquo技術報告撰寫
bull參與化工所舉辦的小角度X-ray散射儀(SAXS)
的訓練課程並參與 SAXS 組裝及測試92年 8
月 21~22 日參與化工所舉辦的小角度 X-ray
散射儀(SAXS)的訓練課程
bull無
E奈米膜厚標準先期規
劃
- 10 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成奈米膜厚標準系統
規格設計(設計規格書) bull購入 optical fiber amp collimation lens 用
於單波長光源膜厚量測測試
bull進行單波長雷射光源用於膜厚絕對量測模型
試驗完成單波長薄膜量測系統設計
bull92年 6 月完成奈米膜厚標準系統規格設計(設
計規格書)
無
bull完成奈米膜厚標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 12 月完成先期規劃及報告撰寫rdquo奈米薄
膜校定先期研究報告rdquo
bull無
- 11 -
2奈米元件機械性質量測分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A建立微壓痕量測系統
1微壓痕量測系統操作
分析
bull完成微壓痕系統操作手冊 bull無
2微壓痕量測系統評估 bull完成微壓痕量測系統評
估
bull評估項目包含測試力量測深零點壓頭尖
端半徑以及壓頭角度等五項壓痕測試系統的
擴充不確定度為 37
bull無
3 Hologage追溯 完成 Hologage 追溯
(Max002 mmd=100
nm)
bull完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10
nm)
bull無
4評估測深所造成之不確
定度 bull完成測深之不確定度評
估(Uncertainty 05 )
bull製作 Hologage 與微壓痕系統的置具整合反
射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統
與 Hologage 測試數據比較測深之不確定度
為 0014
bull受年中國內 SARS
疫情影響壓痕
系統原廠工程師
不敢至台灣協助
系統測試延至
8月初完成測深
校正與不確定度
評估
5校正精密天平 bull完成精密天平採購
bull完成精密天平評估
(Max100 gd=01 mg)
bull精密天平之規格如下
最小讀數 001 mg
最大秤量 101 g
再現性 0005 mg
線性度 plusmn 015 mg
bull原本向瑞士商 Mettler Toledo 採購因該天
平穩定性不足另向德商 Sartorius 採購相同
規格之天平
bull9 月初完成精密天平評估
bull原廠商 Mettler
Toledo 先後提
供的兩組精密天
平皆無法通過穩
定性測試於 6
月間緊急向德商
Sartorius 公司
採購於 9月初
完成精密天平評
估
- 12 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
6校正微壓痕系統之測試力量
bull完成微壓痕系統測試力
量(01~1000 mN)校正
方法研究
bull利用評估完成的精密天平完成測試力量校
正
bull無
7測試力量不確定度評估 bull完成測試力量不確定度
評估(Uncertainty 2
)
bull完成測試力量不確定度評估 01~1000 mN 相對
擴充不確定度小於 065
bull無
B建立micronewton範圍
量測系統
1精密微量天平評估 bull完成精密微量天平採購
與評估
bull精密微量天平之規格如下
最小讀數 01 μg
最大秤量 51 g
再現性 04 μg
bull廠商原提供的精密微量天平穩定性不足協調
廠商更換新品更換後的新品驗收後進行天平
線性校正7月中完成精密微量天平評估報
告
bull無
2Micronewton 量測系統
設計 bull完成 Micronewton量測
系統初步設計
bull整合微步進系統與微動平台設計置具整合壓
阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力
傳感晶片位置再使用微動平台移動微力傳感
晶片至精密微量天平
bull無
CMicronewton力量傳遞
標準研究
1委託學界進行懸臂樑
式力量傳感器之力量
分布設計製造
bull壓阻式力量傳感晶片我們考慮利用商用AFM探
針因為該項產品有專利保護其他公司(或
研究單位)不敢貿然協助本計劃開發相關產
品同時價格上與實用時程上商用壓阻式 AFM
探針都比較符合本實驗需求已採購數組晶片
進行初步研究
bull無
- 13 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D電流天平研究
1完成電流天平國外進
展(出國報告)
bull使用有限元素分析法計算電流天平結構與靜
電力等並與 NIST 實驗結果相互驗證
bull完成電流天平國外進展(出國報告)
bull無
E奈米尺寸薄膜
(50~100nm)波傳性質
理論研究
1完成奈米尺寸薄膜波
傳性質理論研究(技術
報告)
bull以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介
質表面波波傳行為
bull理論計算層狀物體頻散現象
bull無
- 14 -
3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
- 18 -
(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
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三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
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轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
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法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
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(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
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The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
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二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 8 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull依據 ISO 5436分正弦波三角波混合波
弧形波配合其他因子進行實驗設計擬用
於表粗參考資料庫規劃及用於 SPIP 軟體驗
證及研擬以不同軟體驗證 SRD 之統計方法
bull92年 6 月完成軟體驗證細部規格設計書
bull完成軟體驗證分析研究報告
bull進行 MSRD(Modify Standard Reference Data)
統計方法之探討及 MSRR(Modify Standard
Reference Results)與測試結果比較方法之
研究及進行 Reference Profile 與
Reference Software 在軟體驗證的架構和
軟體追溯層級設計
bull92年 12 月完成「量測軟體之追溯概念與統計
分析方法」之技術報告撰寫
bull92年 12 月 2日投稿 ICMT論文一篇rdquo Software
Verification for Roughness Parametersrdquo
92年 12月 12日投稿rdquo第八屆中華民國實驗室
管理與認證論文發表會rdquo論文一篇ldquo量測軟
體之追溯概念與統計分析方法
bull無
其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D角度原級標準及奈米
粒徑先期規劃
bull完成角度原級標準系統
規格設計 bull92年 2 月進行全周平均零誤差系統雛型信號
測試92年 6 月完成全周平均零誤差光柵設
計並送 NDL 製作92年 7 月通過中心內部
審查作業提出專利申請rdquo全周平均零誤差編
碼器rdquo92年 11 月 17 日完成專利申請作業
專利名稱rdquo光學式角度編碼器rdquo申請號碼
P07920010TW
bull無
- 9 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull92年 3 月搜集聯絡角度標準轉盤製作廠商
相關資料與 Aerotech Inc進行討論該廠商
所能製作角度原級標準之最佳能力
bull92年 6 月完成角度原級標準系統規格設計
bull完成角度原級標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 8 月分別向 AA GAGEAEROTECH和 PI 洽
詢委製事宜92年 8 月呂錦華出國赴美拜
訪了美國 PIAA GaugeAerotech 等精密製
造廠尋求角度標準轉盤委託製造92年 10
月~12月呂錦華赴德國PTB研習角度標準及校
正技術
bull92年 12 月完成角度原級標準系統細部規格
設計及研究技術報告撰寫
bull無
bull奈米粒徑先期規劃 bull92年 3 月搜集粒徑量測規範(CNSISOASTM
DIN)及拜訪台大化工系戴怡德教授討論粒
徑量測技術和能力試驗92年 4 月邀請台大
化工系戴怡德教授講授粉體粒徑量測技術及
討論能力試驗並購入 NIST SRM1963 100nm
amp SRM 1692 3microm 和 Duke Scientific 50nm 標
準粉體進行國內奈米粉體粒徑比對規劃
參與實驗室有台大北科大中科院成大
信昌公司德芮克盤拓工研院8月中旬
至 9月試驗樣品傳給參與單位進行能力試
驗92年 12 月完成rdquo奈米粉體粒徑量測能力
先期試驗rdquo技術報告撰寫
bull參與化工所舉辦的小角度X-ray散射儀(SAXS)
的訓練課程並參與 SAXS 組裝及測試92年 8
月 21~22 日參與化工所舉辦的小角度 X-ray
散射儀(SAXS)的訓練課程
bull無
E奈米膜厚標準先期規
劃
- 10 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成奈米膜厚標準系統
規格設計(設計規格書) bull購入 optical fiber amp collimation lens 用
於單波長光源膜厚量測測試
bull進行單波長雷射光源用於膜厚絕對量測模型
試驗完成單波長薄膜量測系統設計
bull92年 6 月完成奈米膜厚標準系統規格設計(設
計規格書)
無
bull完成奈米膜厚標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 12 月完成先期規劃及報告撰寫rdquo奈米薄
膜校定先期研究報告rdquo
bull無
- 11 -
2奈米元件機械性質量測分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A建立微壓痕量測系統
1微壓痕量測系統操作
分析
bull完成微壓痕系統操作手冊 bull無
2微壓痕量測系統評估 bull完成微壓痕量測系統評
估
bull評估項目包含測試力量測深零點壓頭尖
端半徑以及壓頭角度等五項壓痕測試系統的
擴充不確定度為 37
bull無
3 Hologage追溯 完成 Hologage 追溯
(Max002 mmd=100
nm)
bull完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10
nm)
bull無
4評估測深所造成之不確
定度 bull完成測深之不確定度評
估(Uncertainty 05 )
bull製作 Hologage 與微壓痕系統的置具整合反
射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統
與 Hologage 測試數據比較測深之不確定度
為 0014
bull受年中國內 SARS
疫情影響壓痕
系統原廠工程師
不敢至台灣協助
系統測試延至
8月初完成測深
校正與不確定度
評估
5校正精密天平 bull完成精密天平採購
bull完成精密天平評估
(Max100 gd=01 mg)
bull精密天平之規格如下
最小讀數 001 mg
最大秤量 101 g
再現性 0005 mg
線性度 plusmn 015 mg
bull原本向瑞士商 Mettler Toledo 採購因該天
平穩定性不足另向德商 Sartorius 採購相同
規格之天平
bull9 月初完成精密天平評估
bull原廠商 Mettler
Toledo 先後提
供的兩組精密天
平皆無法通過穩
定性測試於 6
月間緊急向德商
Sartorius 公司
採購於 9月初
完成精密天平評
估
- 12 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
6校正微壓痕系統之測試力量
bull完成微壓痕系統測試力
量(01~1000 mN)校正
方法研究
bull利用評估完成的精密天平完成測試力量校
正
bull無
7測試力量不確定度評估 bull完成測試力量不確定度
評估(Uncertainty 2
)
bull完成測試力量不確定度評估 01~1000 mN 相對
擴充不確定度小於 065
bull無
B建立micronewton範圍
量測系統
1精密微量天平評估 bull完成精密微量天平採購
與評估
bull精密微量天平之規格如下
最小讀數 01 μg
最大秤量 51 g
再現性 04 μg
bull廠商原提供的精密微量天平穩定性不足協調
廠商更換新品更換後的新品驗收後進行天平
線性校正7月中完成精密微量天平評估報
告
bull無
2Micronewton 量測系統
設計 bull完成 Micronewton量測
系統初步設計
bull整合微步進系統與微動平台設計置具整合壓
阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力
傳感晶片位置再使用微動平台移動微力傳感
晶片至精密微量天平
bull無
CMicronewton力量傳遞
標準研究
1委託學界進行懸臂樑
式力量傳感器之力量
分布設計製造
bull壓阻式力量傳感晶片我們考慮利用商用AFM探
針因為該項產品有專利保護其他公司(或
研究單位)不敢貿然協助本計劃開發相關產
品同時價格上與實用時程上商用壓阻式 AFM
探針都比較符合本實驗需求已採購數組晶片
進行初步研究
bull無
- 13 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D電流天平研究
1完成電流天平國外進
展(出國報告)
bull使用有限元素分析法計算電流天平結構與靜
電力等並與 NIST 實驗結果相互驗證
bull完成電流天平國外進展(出國報告)
bull無
E奈米尺寸薄膜
(50~100nm)波傳性質
理論研究
1完成奈米尺寸薄膜波
傳性質理論研究(技術
報告)
bull以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介
質表面波波傳行為
bull理論計算層狀物體頻散現象
bull無
- 14 -
3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
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(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
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2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
- 21 -
轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
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法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
- 23 -
(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
- 24 -
grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
- 25 -
伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
- 26 -
估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
- 27 -
決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
- 28 -
法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
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本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
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θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
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101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 9 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull92年 3 月搜集聯絡角度標準轉盤製作廠商
相關資料與 Aerotech Inc進行討論該廠商
所能製作角度原級標準之最佳能力
bull92年 6 月完成角度原級標準系統規格設計
bull完成角度原級標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 8 月分別向 AA GAGEAEROTECH和 PI 洽
詢委製事宜92年 8 月呂錦華出國赴美拜
訪了美國 PIAA GaugeAerotech 等精密製
造廠尋求角度標準轉盤委託製造92年 10
月~12月呂錦華赴德國PTB研習角度標準及校
正技術
bull92年 12 月完成角度原級標準系統細部規格
設計及研究技術報告撰寫
bull無
bull奈米粒徑先期規劃 bull92年 3 月搜集粒徑量測規範(CNSISOASTM
DIN)及拜訪台大化工系戴怡德教授討論粒
徑量測技術和能力試驗92年 4 月邀請台大
化工系戴怡德教授講授粉體粒徑量測技術及
討論能力試驗並購入 NIST SRM1963 100nm
amp SRM 1692 3microm 和 Duke Scientific 50nm 標
準粉體進行國內奈米粉體粒徑比對規劃
參與實驗室有台大北科大中科院成大
信昌公司德芮克盤拓工研院8月中旬
至 9月試驗樣品傳給參與單位進行能力試
驗92年 12 月完成rdquo奈米粉體粒徑量測能力
先期試驗rdquo技術報告撰寫
bull參與化工所舉辦的小角度X-ray散射儀(SAXS)
的訓練課程並參與 SAXS 組裝及測試92年 8
月 21~22 日參與化工所舉辦的小角度 X-ray
散射儀(SAXS)的訓練課程
bull無
E奈米膜厚標準先期規
劃
- 10 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成奈米膜厚標準系統
規格設計(設計規格書) bull購入 optical fiber amp collimation lens 用
於單波長光源膜厚量測測試
bull進行單波長雷射光源用於膜厚絕對量測模型
試驗完成單波長薄膜量測系統設計
bull92年 6 月完成奈米膜厚標準系統規格設計(設
計規格書)
無
bull完成奈米膜厚標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 12 月完成先期規劃及報告撰寫rdquo奈米薄
膜校定先期研究報告rdquo
bull無
- 11 -
2奈米元件機械性質量測分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A建立微壓痕量測系統
1微壓痕量測系統操作
分析
bull完成微壓痕系統操作手冊 bull無
2微壓痕量測系統評估 bull完成微壓痕量測系統評
估
bull評估項目包含測試力量測深零點壓頭尖
端半徑以及壓頭角度等五項壓痕測試系統的
擴充不確定度為 37
bull無
3 Hologage追溯 完成 Hologage 追溯
(Max002 mmd=100
nm)
bull完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10
nm)
bull無
4評估測深所造成之不確
定度 bull完成測深之不確定度評
估(Uncertainty 05 )
bull製作 Hologage 與微壓痕系統的置具整合反
射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統
與 Hologage 測試數據比較測深之不確定度
為 0014
bull受年中國內 SARS
疫情影響壓痕
系統原廠工程師
不敢至台灣協助
系統測試延至
8月初完成測深
校正與不確定度
評估
5校正精密天平 bull完成精密天平採購
bull完成精密天平評估
(Max100 gd=01 mg)
bull精密天平之規格如下
最小讀數 001 mg
最大秤量 101 g
再現性 0005 mg
線性度 plusmn 015 mg
bull原本向瑞士商 Mettler Toledo 採購因該天
平穩定性不足另向德商 Sartorius 採購相同
規格之天平
bull9 月初完成精密天平評估
bull原廠商 Mettler
Toledo 先後提
供的兩組精密天
平皆無法通過穩
定性測試於 6
月間緊急向德商
Sartorius 公司
採購於 9月初
完成精密天平評
估
- 12 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
6校正微壓痕系統之測試力量
bull完成微壓痕系統測試力
量(01~1000 mN)校正
方法研究
bull利用評估完成的精密天平完成測試力量校
正
bull無
7測試力量不確定度評估 bull完成測試力量不確定度
評估(Uncertainty 2
)
bull完成測試力量不確定度評估 01~1000 mN 相對
擴充不確定度小於 065
bull無
B建立micronewton範圍
量測系統
1精密微量天平評估 bull完成精密微量天平採購
與評估
bull精密微量天平之規格如下
最小讀數 01 μg
最大秤量 51 g
再現性 04 μg
bull廠商原提供的精密微量天平穩定性不足協調
廠商更換新品更換後的新品驗收後進行天平
線性校正7月中完成精密微量天平評估報
告
bull無
2Micronewton 量測系統
設計 bull完成 Micronewton量測
系統初步設計
bull整合微步進系統與微動平台設計置具整合壓
阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力
傳感晶片位置再使用微動平台移動微力傳感
晶片至精密微量天平
bull無
CMicronewton力量傳遞
標準研究
1委託學界進行懸臂樑
式力量傳感器之力量
分布設計製造
bull壓阻式力量傳感晶片我們考慮利用商用AFM探
針因為該項產品有專利保護其他公司(或
研究單位)不敢貿然協助本計劃開發相關產
品同時價格上與實用時程上商用壓阻式 AFM
探針都比較符合本實驗需求已採購數組晶片
進行初步研究
bull無
- 13 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D電流天平研究
1完成電流天平國外進
展(出國報告)
bull使用有限元素分析法計算電流天平結構與靜
電力等並與 NIST 實驗結果相互驗證
bull完成電流天平國外進展(出國報告)
bull無
E奈米尺寸薄膜
(50~100nm)波傳性質
理論研究
1完成奈米尺寸薄膜波
傳性質理論研究(技術
報告)
bull以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介
質表面波波傳行為
bull理論計算層狀物體頻散現象
bull無
- 14 -
3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
- 18 -
(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
- 21 -
轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
- 22 -
法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
- 23 -
(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
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本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 10 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull完成奈米膜厚標準系統
規格設計(設計規格書) bull購入 optical fiber amp collimation lens 用
於單波長光源膜厚量測測試
bull進行單波長雷射光源用於膜厚絕對量測模型
試驗完成單波長薄膜量測系統設計
bull92年 6 月完成奈米膜厚標準系統規格設計(設
計規格書)
無
bull完成奈米膜厚標準系統
細部規格設計(研究報
告)
bull92年 12 月完成先期規劃及報告撰寫rdquo奈米薄
膜校定先期研究報告rdquo
bull無
- 11 -
2奈米元件機械性質量測分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A建立微壓痕量測系統
1微壓痕量測系統操作
分析
bull完成微壓痕系統操作手冊 bull無
2微壓痕量測系統評估 bull完成微壓痕量測系統評
估
bull評估項目包含測試力量測深零點壓頭尖
端半徑以及壓頭角度等五項壓痕測試系統的
擴充不確定度為 37
bull無
3 Hologage追溯 完成 Hologage 追溯
(Max002 mmd=100
nm)
bull完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10
nm)
bull無
4評估測深所造成之不確
定度 bull完成測深之不確定度評
估(Uncertainty 05 )
bull製作 Hologage 與微壓痕系統的置具整合反
射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統
與 Hologage 測試數據比較測深之不確定度
為 0014
bull受年中國內 SARS
疫情影響壓痕
系統原廠工程師
不敢至台灣協助
系統測試延至
8月初完成測深
校正與不確定度
評估
5校正精密天平 bull完成精密天平採購
bull完成精密天平評估
(Max100 gd=01 mg)
bull精密天平之規格如下
最小讀數 001 mg
最大秤量 101 g
再現性 0005 mg
線性度 plusmn 015 mg
bull原本向瑞士商 Mettler Toledo 採購因該天
平穩定性不足另向德商 Sartorius 採購相同
規格之天平
bull9 月初完成精密天平評估
bull原廠商 Mettler
Toledo 先後提
供的兩組精密天
平皆無法通過穩
定性測試於 6
月間緊急向德商
Sartorius 公司
採購於 9月初
完成精密天平評
估
- 12 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
6校正微壓痕系統之測試力量
bull完成微壓痕系統測試力
量(01~1000 mN)校正
方法研究
bull利用評估完成的精密天平完成測試力量校
正
bull無
7測試力量不確定度評估 bull完成測試力量不確定度
評估(Uncertainty 2
)
bull完成測試力量不確定度評估 01~1000 mN 相對
擴充不確定度小於 065
bull無
B建立micronewton範圍
量測系統
1精密微量天平評估 bull完成精密微量天平採購
與評估
bull精密微量天平之規格如下
最小讀數 01 μg
最大秤量 51 g
再現性 04 μg
bull廠商原提供的精密微量天平穩定性不足協調
廠商更換新品更換後的新品驗收後進行天平
線性校正7月中完成精密微量天平評估報
告
bull無
2Micronewton 量測系統
設計 bull完成 Micronewton量測
系統初步設計
bull整合微步進系統與微動平台設計置具整合壓
阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力
傳感晶片位置再使用微動平台移動微力傳感
晶片至精密微量天平
bull無
CMicronewton力量傳遞
標準研究
1委託學界進行懸臂樑
式力量傳感器之力量
分布設計製造
bull壓阻式力量傳感晶片我們考慮利用商用AFM探
針因為該項產品有專利保護其他公司(或
研究單位)不敢貿然協助本計劃開發相關產
品同時價格上與實用時程上商用壓阻式 AFM
探針都比較符合本實驗需求已採購數組晶片
進行初步研究
bull無
- 13 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D電流天平研究
1完成電流天平國外進
展(出國報告)
bull使用有限元素分析法計算電流天平結構與靜
電力等並與 NIST 實驗結果相互驗證
bull完成電流天平國外進展(出國報告)
bull無
E奈米尺寸薄膜
(50~100nm)波傳性質
理論研究
1完成奈米尺寸薄膜波
傳性質理論研究(技術
報告)
bull以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介
質表面波波傳行為
bull理論計算層狀物體頻散現象
bull無
- 14 -
3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
- 18 -
(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
- 21 -
轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
- 22 -
法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
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(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 11 -
2奈米元件機械性質量測分項計畫
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A建立微壓痕量測系統
1微壓痕量測系統操作
分析
bull完成微壓痕系統操作手冊 bull無
2微壓痕量測系統評估 bull完成微壓痕量測系統評
估
bull評估項目包含測試力量測深零點壓頭尖
端半徑以及壓頭角度等五項壓痕測試系統的
擴充不確定度為 37
bull無
3 Hologage追溯 完成 Hologage 追溯
(Max002 mmd=100
nm)
bull完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10
nm)
bull無
4評估測深所造成之不確
定度 bull完成測深之不確定度評
估(Uncertainty 05 )
bull製作 Hologage 與微壓痕系統的置具整合反
射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統
與 Hologage 測試數據比較測深之不確定度
為 0014
bull受年中國內 SARS
疫情影響壓痕
系統原廠工程師
不敢至台灣協助
系統測試延至
8月初完成測深
校正與不確定度
評估
5校正精密天平 bull完成精密天平採購
bull完成精密天平評估
(Max100 gd=01 mg)
bull精密天平之規格如下
最小讀數 001 mg
最大秤量 101 g
再現性 0005 mg
線性度 plusmn 015 mg
bull原本向瑞士商 Mettler Toledo 採購因該天
平穩定性不足另向德商 Sartorius 採購相同
規格之天平
bull9 月初完成精密天平評估
bull原廠商 Mettler
Toledo 先後提
供的兩組精密天
平皆無法通過穩
定性測試於 6
月間緊急向德商
Sartorius 公司
採購於 9月初
完成精密天平評
估
- 12 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
6校正微壓痕系統之測試力量
bull完成微壓痕系統測試力
量(01~1000 mN)校正
方法研究
bull利用評估完成的精密天平完成測試力量校
正
bull無
7測試力量不確定度評估 bull完成測試力量不確定度
評估(Uncertainty 2
)
bull完成測試力量不確定度評估 01~1000 mN 相對
擴充不確定度小於 065
bull無
B建立micronewton範圍
量測系統
1精密微量天平評估 bull完成精密微量天平採購
與評估
bull精密微量天平之規格如下
最小讀數 01 μg
最大秤量 51 g
再現性 04 μg
bull廠商原提供的精密微量天平穩定性不足協調
廠商更換新品更換後的新品驗收後進行天平
線性校正7月中完成精密微量天平評估報
告
bull無
2Micronewton 量測系統
設計 bull完成 Micronewton量測
系統初步設計
bull整合微步進系統與微動平台設計置具整合壓
阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力
傳感晶片位置再使用微動平台移動微力傳感
晶片至精密微量天平
bull無
CMicronewton力量傳遞
標準研究
1委託學界進行懸臂樑
式力量傳感器之力量
分布設計製造
bull壓阻式力量傳感晶片我們考慮利用商用AFM探
針因為該項產品有專利保護其他公司(或
研究單位)不敢貿然協助本計劃開發相關產
品同時價格上與實用時程上商用壓阻式 AFM
探針都比較符合本實驗需求已採購數組晶片
進行初步研究
bull無
- 13 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D電流天平研究
1完成電流天平國外進
展(出國報告)
bull使用有限元素分析法計算電流天平結構與靜
電力等並與 NIST 實驗結果相互驗證
bull完成電流天平國外進展(出國報告)
bull無
E奈米尺寸薄膜
(50~100nm)波傳性質
理論研究
1完成奈米尺寸薄膜波
傳性質理論研究(技術
報告)
bull以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介
質表面波波傳行為
bull理論計算層狀物體頻散現象
bull無
- 14 -
3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
- 18 -
(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
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轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
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法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
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(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
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本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
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- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
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The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 12 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
6校正微壓痕系統之測試力量
bull完成微壓痕系統測試力
量(01~1000 mN)校正
方法研究
bull利用評估完成的精密天平完成測試力量校
正
bull無
7測試力量不確定度評估 bull完成測試力量不確定度
評估(Uncertainty 2
)
bull完成測試力量不確定度評估 01~1000 mN 相對
擴充不確定度小於 065
bull無
B建立micronewton範圍
量測系統
1精密微量天平評估 bull完成精密微量天平採購
與評估
bull精密微量天平之規格如下
最小讀數 01 μg
最大秤量 51 g
再現性 04 μg
bull廠商原提供的精密微量天平穩定性不足協調
廠商更換新品更換後的新品驗收後進行天平
線性校正7月中完成精密微量天平評估報
告
bull無
2Micronewton 量測系統
設計 bull完成 Micronewton量測
系統初步設計
bull整合微步進系統與微動平台設計置具整合壓
阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力
傳感晶片位置再使用微動平台移動微力傳感
晶片至精密微量天平
bull無
CMicronewton力量傳遞
標準研究
1委託學界進行懸臂樑
式力量傳感器之力量
分布設計製造
bull壓阻式力量傳感晶片我們考慮利用商用AFM探
針因為該項產品有專利保護其他公司(或
研究單位)不敢貿然協助本計劃開發相關產
品同時價格上與實用時程上商用壓阻式 AFM
探針都比較符合本實驗需求已採購數組晶片
進行初步研究
bull無
- 13 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D電流天平研究
1完成電流天平國外進
展(出國報告)
bull使用有限元素分析法計算電流天平結構與靜
電力等並與 NIST 實驗結果相互驗證
bull完成電流天平國外進展(出國報告)
bull無
E奈米尺寸薄膜
(50~100nm)波傳性質
理論研究
1完成奈米尺寸薄膜波
傳性質理論研究(技術
報告)
bull以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介
質表面波波傳行為
bull理論計算層狀物體頻散現象
bull無
- 14 -
3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
- 18 -
(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
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三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
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轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
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法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
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(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
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本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
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θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
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101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
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The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
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Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
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二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 13 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
D電流天平研究
1完成電流天平國外進
展(出國報告)
bull使用有限元素分析法計算電流天平結構與靜
電力等並與 NIST 實驗結果相互驗證
bull完成電流天平國外進展(出國報告)
bull無
E奈米尺寸薄膜
(50~100nm)波傳性質
理論研究
1完成奈米尺寸薄膜波
傳性質理論研究(技術
報告)
bull以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介
質表面波波傳行為
bull理論計算層狀物體頻散現象
bull無
- 14 -
3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
- 18 -
(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
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三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
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轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
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法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
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(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
- 35 -
實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
- 36 -
【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
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二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 14 -
3微流量測標準分項
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
A MicroPIV架構改良
1完成 MicroPIV 改良與
組裝以符合微流量量
測需要
bull改良原有完成 MicroPIV 之架構主要包括前
端光源及後端影像擷取兩方面光源部分為向
日方採購雖因我方被日方列為高科技國家列
屬列管國家於採購過程增加諸多作業但到
貨組裝可提高可測流速範圍而影像擷取採用
雙 CCD 設計可使用一般 CCD 取代高價 CCD
bull本改良技術已申請專利
bull改良後之流速範
圍由原先之 43
mms 擴增到 10
ms 以上流速
量測準確性與不
確定度亦提高
bull目前搭配微稱重
系統使用中
bull使用中的μPIV
因方便性因素
仍使用原有的
CCD
BCFD 微流數值模擬
1完成 CFD 微流數值模
擬微流系統測試與評估 bull整理現有 CFD-ACE+軟體以進行 CFD 於微流道
之計算並輔助完成噴嘴型微流道設計
bull利用完成之微流
道(100 micromndash300
microm)完成 CFD 與
流速法及稱重法
微流量測比對
C微流道設計製作
1完成全展流微流流道設
計與製作 bull根據上述CFD模擬完成全展流微流流道設計
bull已利用量測中心儀發組之製程設備完成製作
D量測方法評估
1完成流速面積法(利用μPIV)的計量性能評估 2完成體積法計量能力的
可行性評估
bull完成微流驅動方式之測試評估重力式及吸力
式之驅動能力依可驅動最小流量之原則採用
壓差吸力式
bull比對上述吸力式微流道驅動與CFD模擬有明顯
差異分析原因為壓差穩定性與取壓問題經
bull期初進行體積法
之評估後認為微
流道之截面積量
測誤差及不確定
度過大在考慮
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
- 18 -
(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
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轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
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法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
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(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
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The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
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二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 15 -
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
改善後差異已明顯縮小
bull完成稱重法之設計與組裝
bull完成量測比對
bull以微流注射幫浦(Syringe Pump)驅動下之流速
法(利用μPIV)及市售商產微流感測器 Micro
liquid sensor 間之量測比對
bull壓差驅動下之稱重法流速法及市售商產
Micro liquid sensor 間的計量比對
與原先既有之流
速法(micro
PIV)連結及計
量追溯性的原則
下在同樣驅動
設計下先用稱重
法進行研究
bull先前比對範圍為
最小為 10 μ
lmin 左右雖
經改良可降至 1
μlmin穩壓問
題微量天平及
環境因素引起的
問題需持續改良
以降低流率及不
確定度
E完成專利申請及論文投
稿（專利 1論文國際期刊 1國外研討會 1國內研討會 2）
bull專利申請一件(Pending)
bull投稿於 Journal of Biomechanics已於 12
月出刊
bull發表 2篇國際研討會論文於 A 5th
international symposium on PIV (PIVrsquo03)
及 7th International Conference on
Mechatronics Technology (ICMT)
bull發表微流量測技術論文於rdquo微機電系統與應
用rdquo(精儀中心出版)
bull
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
- 18 -
(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
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轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
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法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
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(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
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本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
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- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
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101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
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The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
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二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 16 -
4其他
計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討
bull實驗室規劃及成果推廣等事宜
bull計量標準實驗室原規劃於工研院中興院區 67
館 F2 區無塵室至 92年 8 月 29 日已完成細
部設計和估價後因該空間轉移給電子所9
月中止 67館細部設計協調結果改以使用 67
館 147 實驗室92年 12 月已完成該實驗室的
電力和氣源93年再執行空調改善和設備基
礎座規劃設計施工後干涉顯微鏡粉體粒
徑奈米壓痕系統奈米元件波傳性質雷
射繞射儀等系統即可進駐
bull92年 9 月 8~10 日參加rdquo2003奈米國家型計畫
商機探討暨成果發表會rdquo及發表論文一篇rdquo奈
米技術計量標準之建立rdquo
bull92年 9 月 23 日舉辦「干涉顯微三維形貌量測
技術研討會」共 48 人參與邀請量測中心
顧問張良知專家PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與
製造系 Heui Jae Pahk 教授擔任研討會講師
bull92年 3 月 20 日受邀至台灣大學4月 25 日至
海洋大學10 月 29 日至中興大學10 月 31
日至國立虎尾技術學院11 月 3 日至台灣科
技大學12 月 12 日受邀至國立雲林科技大學
演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquordquo奈米計
量與標準追溯rdquo推廣奈米計量
bull出版奈米科技叢書 bull配合國家型奈米計畫進行「奈米科技與檢測技
術」專書之出版規劃內容撰稿核稿完
成「奈米科技與檢測技術」之出版內容含
括奈米量測標準奈米粉體奈米薄膜奈
米電子元件奈米碳管高密度儲存媒體
奈米生醫相關檢測技術
(三)配合計畫及措施
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
- 18 -
(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
- 21 -
轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
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法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
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(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 17 -
本年度無簽約之合作研究案但實質上與學界進行之合作有
1 力學性質量測方面與台大機械系及應力所進行「超音波薄膜波傳性質」合作研究
2 微流量測方面也分別與台大醫工所與中山大學合作研究「微流晶片量測」和國
家衛生研究院醫工組合作研究「血管內皮細胞表面流量量測」
二資源運用情形
(一)人力運用情形
1人力配置
主 持 人 分 項 計 畫
( 名 稱 及 主 持 人 )
預 計
人 年
實 際
人 年
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主
持人陳朝榮
35 357
(2)奈米元件機械性質量測分項計畫主持人張
啟生
40 40
計畫主持
人彭國
勝
(3)微流量測標準分項計畫主持人楊正財 30 294
註差異若超過 15請說明理由
2計畫人力 單
位人年
分類 職稱 學歷 合
年
度
狀
況
研
究 員 級 以 上
副
研 究 員 級
助
理 研 究 員 級
研
究助理員級
研
究助理員級以下
博
士
碩
士
學
士
專
科
其
他
計
預計 692 358 0 0 0 383 642 025 017 092
實際 669 372 0 0 0 417 572 031 022 0
註採用工研院職級計算
(二)設備購置與利用情形
本年度一百萬元以上儀器設備計 2件請參閱附件一之儀器設備清單
- 18 -
(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
- 21 -
轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
- 22 -
法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
- 23 -
(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
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本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 18 -
(三)經費運用情形
1歲出預算執行情形
單位新台幣千元
會計科目 預算金額 佔預算
決算金額 佔決算
差異說明
(一)經常支出
人事費 12003 3881 11919 387
業務費 2599 841 2765 90
維護費 370 120 311 10
旅運費 656 212 605 20
材料費 1569 509 1513 49
管理及共同費 5762 1863 5722 186
公費 289 093 289 09
經常支出小計 23248 7519 23124 751
(二)資本支出
設備費 7674 2481 7670 249
廠房建築 -
資本支出小計 7674 2481 7670 249
合計 30922 10000 30794 10000
註1預算按簽約計畫書之數填列
2決算含支用及權責保留數
- 19 -
2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
- 21 -
轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
- 22 -
法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
- 23 -
(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
- 24 -
grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
- 25 -
伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
- 26 -
估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
- 27 -
決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
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本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
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θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
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101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
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non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
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2歲入繳庫情形
單位新台幣元
科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說
明
財產收入 －
不動產租金
動產租金
廢舊物資售價
技術移轉
權利金
技術授權
製程使用
其他－專戶利息收
入
罰金罰鍰收入
罰金罰鍰
其他收入
供應收入－
資料書刊費
服務收入－
教育學術服務
技術服務
審查費－
業界合作廠商配合
款
收回以前年度歲出
其他雜項
合 計 0 0 0
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三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
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轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
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法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
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(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
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The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
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二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 20 -
三人力培訓情形
(一)國外出差
1赴美參加 SPIE 研討會和訪問精密角度轉盤製造廠（呂錦華研究員82~815）瞭
解國外對於干涉顯微鏡之校正追溯與應用之現況研討干涉顯微鏡應用於階高校
正原級標準之各項相關技術助於具追溯性之干涉顯微鏡的建立瞭解國外應用於
奈米技術檢測的現況更能夠開發顯微量測方面後續的發展領域
SPIE(The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers - The
International Society for Optical Engineering) 研討會於 200383~8 美國聖
地牙哥 Convention Center 舉辦
本次參加的 Section 為 Optical System Engineering 主題中的 Advanced
Metrology為 Conference 5190主題為 Recent Developments in Traceable Dimensional
Measurements II另參加ldquoIntroduction to Interferometric Optical TestingShort
course主要介紹干涉原理與其應用在光學元件之檢測上課程內容共分 8個部份
分別如下所列
(1) Basic Interferometers for Optical Testing
(2) Phase Shifting Interferometry (3)Specialized Optical Tests
(4) Long Wavelength Interferometry
(5) testing of Aspheric Surfaces
(6) Measurement of Surface Microstructure
(7) Absolute Measurements
(8) State-of-the-Art Direct Phase Measurement Interferometers
此課程之講師為目前任教於 University of Arizona 的 Optical Sciences
Center 的 James C Wyant 教授2003年因ldquoFor significant contributions to
the field of interferometry and optical testing獲得 SPIE Gold Medal 獎
他是 Wyko 干涉顯微量測儀的創辦人在干涉顯微量測方面有豐富的理論知識和經
驗Prof Wyant 個人的網址為 wwwopticsarizonaedujcwyantShort course
的講義亦可從這個網頁中下載從這個課程可以學到很多關於干涉顯微鏡的量測和
光學元件品質的測試技術追溯與應用之現況有助於我們日後繼續研製具追溯性
之干涉顯微鏡和開發顯微量測應用於奈米技術檢測的領域
本計畫預訂在 FY93 研製連續角度原級標準因此在 SPIE 研討會後分別拜
訪 Professional InstrumentsA G DavisAA Gage 與 Aerotech 等三家精密轉
盤製造廠瞭解其產品的製作生產與檢測技術並與對方討論本中心擬建立的精密
- 21 -
轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
- 22 -
法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
- 23 -
(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 21 -
轉盤之規格經參訪與討論後這三家製造廠都有志願提供研製服務這對連續角
度原級標準系統之建立將有很大的助益亦是此行的最大收獲
2參訪 NIST Micro-force 標準實驗室與 Watt-balance 標準實驗室討論過去一年雙
方在微力標準技術發展上的合作成果以及未來繼續合作的內容（顧逸霞博士
119~1116）
美國國家標準技術院(NIST)自 2000 年開始進行一項為期五年的微力標準實現與
量測計畫主要內容著重於發展實現具SI (International System of Units)追溯
性的微力標準量測技術使得小於 5 x 10 P
-6P牛頓的微力標準可藉由電量單位連結至
SI使得微牛頓及奈牛頓的微力量測標準可藉由極穩定的電量單位連結至約瑟芬電
壓標準及量化霍爾電阻標準
近年來微牛頓(Micro-Newton)及奈牛頓(Nano-Newton)範圍的微力量測在工業
界的需求已是司空見慣然而目前為止還沒有任何國家標準機構能提供微力量測標
準直接連結至SI目前所有微力量測方法均為間接式量測方法無法追溯至量測標
準因此雖有好的量測解析度卻沒有好的準確度美國國家標準技術院可提供的
質量校正範圍最小為 05 毫克(mg)其約轉換成 5 x 10 P
-6P 牛頓的微力量然而校正
所使用 05 毫克的法碼本身就有約萬分之幾的相對不確定度因此建立精準具追
溯性的微力量測技術成為ISO工作小組及致力於研究壓印(indentation) 量測標
準結構薄膜疲勞斷裂等特性的美國測試與材料學會(ASTM American Society for
Testing and Materials)委員們的迫切需求於是美國國家標準技術院針對本項核
心議題提出了微力標準實現與量測計畫預期設計一項可實行的微力原級標準能
量範圍由 10P
-5P N至 10P
-6P N相對不確定度則約為萬分之幾
近年來許多國家標準實驗室研究團隊投入研究以建立自然常數(Fundamental
physical constants)與質量標準間的關係這項研究統稱為ldquoReplacing the
kg目前質量標準是SI七大基本單位中唯一仍維持在實物標準(Artifact
standard)的一項NIST Watt-balance計劃是目前國際間最先進且最被期待的質量
標準研究計劃它的目的是發展出除了現有維持的公斤原器外的質量標準量測不
確定度約可達 1x10P
-8P以下
目前國際上以Watt-balance 及 single-crystal silicon sphere計劃為兩個質
量標準技術發展主流由於Avogadro constant(NA)起初被認為是可以被非常精準的
量測到因此以single-crystal silicon sphere來決定Avogadro constant (NA)
藉以建立質量標準的方法看似非常可行其量測不確定度確實也可達 1x10P
-7P的範圍
但是國際間幾個研究團隊的量測結果差異竟可達 3x10P
-6P幾乎是個別量測不確定度
的 10 倍其原因不明可能跟single-crystal silicon sphere缺陷有關導致無
- 22 -
法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
- 23 -
(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
- 24 -
grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
- 25 -
伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
- 26 -
估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
- 27 -
決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
- 28 -
法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
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本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
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θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
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101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 22 -
法量化的量測不確定度
NIST力邀我方研究人員前往客座並願意提供客座津貼由於微力原級標準技
術在應用上非常重要若能實地吸取 NIST 過去四年在開發微力標準技術的寶貴經
驗在 NIST 客座期間可同時建構一套相同系統於客座期滿後攜回中心維持使用
則可收雙贏的效果一方面積極建立微力量測技術與計量標準並參與國際合作
同時支援本地產業量測追溯的需求並提高國家度量衡標準實驗室之學術研究聲望
3參加第 5屆國際粒子影像流速儀國際研討會（楊正財博士921~927）
該研討會為國際上以 PIV 為專一議題的主要會議與會的主要目的為發表量
測中心在 micro-PIV 技術的應用我們不僅規畫了以流速量測為基礎的微流量量
測方法也利用微流場的量測衍生出對化學參數（黏滯係數擴散係數微小粒
徑）的推估技術會中亦同時試圖窺探學術界在微流量測技術的發展及儀器的研
發若加上本計畫之前所搜尋資料以及此行順道參訪日本 NMIJ 的經驗目前看
來學界對此的興趣遠高於各國國 NMI不過回國後所得到的訊息是 NIST 亦將開使
介入微流量測此亦顯現量測中心在此方向的佈局是在正確的方向
(二)國外客座研究
1赴德國 PTB 研習角度原級標準校正技術（呂錦華研究員1018~1218）
這次赴 PTB 客座的重點為 (1) 瞭解 PTB 角度標準量測系統的運作與追溯體系
(2) 學習角度相關量測技術(3) 參加 PTB 主舉的 Angle Metrology 國際研討會
以瞭解角度計量領域之研究發展現況(4) 專題研究自動視準儀與 PZT 傾斜台之
直線度量測(5)拜訪 Heidenhain 公司瞭解角編碼器 (Angular encoder) 之製
作與檢驗
PTB 的技術組織架構分成 DivisionDepartment 及 Working Group負責角度
計量的實驗室係在 Division 5（Precision Engineering）下的 Department 52
（Length and Angle Graduations）內的 Working Group 523（Angle Metology）
Working Group 523 的負責人為 Dr Reinhard ProbstDr Probst 自 1977年服
務於 PTB於 1990年擔任 Angle Metrology 的負責人迄今為角度計量領域中的國
際知名人士
PTB 的 Working Group 523 (Angle Metrology) 的角度校正系統主要有三個
精密轉盤（分別命名為 WMT-220WMT-905 及 WMT-210）及一套直角規校正系統另
外有一台相位干涉儀 (Phase interferometer) 及一個直立式轉盤WMT-220為 PTB
的角度原級標準系統與德國 Heidenhain公司共同合作設計由 Heidenhain公司製
作此轉盤係由一個 Angular Comparator （含 16個讀頭）及一個 Angular Encoder
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(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
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grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 23 -
(ERO 725)組成可作相互校正的自我追溯此系統的解析度可達 00012Prime (6 nrad)
由於這套系統非常精密其環境需求也很高故存放在無塵室 (Clean room)此校
正系統主要提供高解析度 (0005Prime) 的自動視準儀與 Angular Encoder 的校正
WMT-905 為 PTB 第二高等位的角度校正系統內部結構為一個 Angular Encoder
(RON 905) 可提供自動視準儀（01Prime 解析度）的校正配合高精準度的自動視準儀
（ELCOMAT HR0001Prime 解析度）可提供自動視準儀（001Prime 解析度）多邊規
角度塊規及稜鏡（prism）等校正WMT-210的解析度為 001Prime於台面上架設小角
度干涉儀現時只提供小角度量測研究用途直角度校正系統由 PTB自行研發與
製作主要架構含標準直規導軌（含探頭與比測儀）精密分度盤方規與自動視
準儀待校件的直角度係與方規之直角作比較而待校件各量測面的直線度係與直
規作比較因為係一水平式的架構故只能提供 L型三角型或四邊型的直角規校
正而無法作圓柱型直角規的校正相位干涉儀主要用於標準件（如角度塊規多
邊規光學平板等）量測面的平面度量測可分析平面度差異對角度量測結果之影
響在這段客座研究期間所研習的角度相關校正系統就是這幾套系統另外所作的
專題研究是應用〝反轉技術〞(Reversal Technique) 分離出雙軸自動視準儀與雙軸
PZT傾斜台的直線度所得結果合理並符合待測件的特性
PTB 於 2003115 舉辦了一場 Angle Metrology 國際研討會主題為
〝Requirements and recent developments in high precision angle metrology〞
講員有法國 BIPM美國 NIST日本 NMIJ俄國 St Petersburg 大學Heidenhain
公司及 Moumlller-Wedel 公司等的專家學者會中與其他計量機構的研究人員交流了
角度量測的技術與經驗得知大多數計量機構的角度原級標準所用的精密轉盤都
採用了 Heidenhain 公司的 RON 905 Angular Encoder而本中心擬建立的連續角度
原級標準系統亦是選用了 RON 905由此可顯示我們的選擇是正確的
在 PTB 研習期間專程拜訪 Heidenhain 公司參觀角編碼器 (Angular Encoder)
之生產線瞭解該公司角編碼器的製作與檢驗程序並與相關技術人員洽談本計畫
擬建的連續角度原級標準系統所使用的精密定位轉盤與高準確度的編碼器的相關
規格另參觀 Heidenhain 公司的角度標準系統他們的系統與 PTB 的 WMT-220 相
似但其架構只有一個 Angular Comparator而且只有 8個讀頭該系統的標準件
為一個 RON 905 的 Angular Encoder校正方法係與這個標準 RON 905 作比較校正
而標準 RON 905每 5年送PTB作追溯校正Heidenhain公司在 2003年與PTB及 NMIJ
舉行了一次 Angular Encoder 的比對計畫結果顯示三方的比對結果呈一致性
另外也參觀了從事奈米計量的實驗室該工作小組主要有三大研究方向分別
為 (1) 儀器研製(2) 標準樣品設計與委外製作如 Nano2 Step Height 的 Pattern
由 PTB 設計再委託適當單位製作樣品包括有 FlatnessStep Height1D
- 24 -
grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
- 25 -
伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
- 26 -
估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
- 27 -
決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
- 28 -
法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
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本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
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θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
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101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
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non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
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spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
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The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
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Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
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附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
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項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
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(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 24 -
grating2D grating 等(3) 標準樣品量測與分析該實驗室有 VERITEKT-B 及
VERITEKT-C 量測系統量測範圍都是 70 microm times 15 microm times 15 micromVERITEKT-B 為舊
機型量測不確定度較大在量測 2000 nm 時擴充不確定度有十幾奈米而
VERITEKT-C 的擴充不確定度已可降低至 1 nm而最新研製的為Metrological Large
Range Scanning Probe Microscope（簡稱 M-LRSPM）量測範圍為 25 mm times 25 mm times
15 mm這個系統放在 Clean Room Center 中
(三)國際技術交流
國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一本中心與各國家
實驗室如 PTBNISTNMIJ 等均保持密切的來往本年度如前述安排 3人次出國參
訪及 1 人次赴 PTB 客座研習 2 個月外此外亦藉著 PTB 資深研究員 Dr
Krueger-Sehm和韓國漢城大學機械設計與製造系 Heui Jae Pahk 教授 9月來訪
舉辦「干涉顯微三維形貌量測技術」研討會另於 11 月藉由日本 NMIJ來訪邀請
其奈米計量負責人 Dr Tanaka舉辦「尖端科技應用於計量標準之技術」研討會
說明 NMIJ奈米計量的內容與進展共同研討奈米計量技術之研究進展
(四)教育推廣
921031 受邀至國立虎尾技術學院光電工程系演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921212 受邀至國立雲林科技大學機械研究所演講rdquo奈米計量與量測儀設計實務rdquo
920320 受邀至台灣大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
920425 受邀至海洋大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921029 受邀至中興大學演講rdquo奈米計量與標準追溯rdquo
921103 受邀至台灣科技大學演講rdquo長度量測概述rdquo推廣奈米計量
- 25 -
伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
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本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
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θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
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伍成果說明與檢討
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
【年度目標】
(一)三維具追溯性掃描探針顯微鏡研製量測範圍 60times60times5 micromP
3P完成改裝為具追溯性之
整體機構設計
(二)非接觸式奈米表粗及階高標準系統研製量測範圍 01 nm~100 microm量測不確定度 1
及比較光學式與探針式表粗參數量測結果的差異
(三)建立幾何形貌量測軟體之追溯概念與統計方法
(四)高精度角度原級標準先期規劃擬建立可連續量測 0~360deg角度範圍最小解析度
005rdquo量測不確定度 01rdquo
(五)奈米薄膜量測先期規劃擬建立光學式及電性式薄膜厚度量測系統
(六)奈米微粒量測標準先期規劃
【本年度成果】
(一)本年度購置商用多功能探針顯微及完成具追溯性三維SPM的機構設計該儀器具對稱
性的結構以降低熱漂移和溫度的影響93年將再增加Z軸雷射干涉儀和重新設計
其對稱性的計量結構和適用在大尺寸的晶圓樣品上(直徑 12rdquo)改裝成三軸計量
型SPM其規格如下
80 microm times 80 microm times 12 microm P
3
P隔振設施主動式噪音氣流
差動雷射干涉儀解析度度 01 nm
可校標準片外形規挌最大 12 吋晶圓
標準片承載台
粗動(X Y Z) 10 mmtimes10 mmtimes20 mm微動 (X Y Z) 100 micromtimes100 micromtimes10microm
符合計量結構對稱性Super-Invar
94年實施量測系統評估以期能校正一維線距二維線距階高等標準片另欲
與 95年擬建立的奈米雷射繞射儀和干涉顯微鏡的量測交叉比較以確立量測的追
溯性與一致性
(二)完成干涉顯微鏡的採購和測試及評估光學式奈米級階高絕對校正校正範圍 10
nm~3 microm量測不確定度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm其中 D為階高量測值單位為microm
D∆ 為階高量測值變異全距單位為 nm本年度原預訂測試干涉顯鏡的性能及光
學式和探針式在表粗量測的差異為配合計畫能儘速提供校正服務本年度先研評
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
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決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
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法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
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Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
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sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
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s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
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附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
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附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
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附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
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估在 10 nm~3 microm 的階高絕對校正擬於 93年繼續評估 3 microm~100 microm 階高絕對校正
使用表面輪廓的量測儀器時無論是在傳統工業裡量測表面粗糙度所用之探針
式量測儀乃至於奈米量測技術裡面經常廣泛使用的掃描式探針顯微鏡等若欲掌
握其量測準確度首先必須考慮探針的位移應該如何校正的問題對於利用光學方
法量測表面形貌的儀器而言例如干涉顯微鏡共焦顯微鏡等亦必須對其位移機
構或量測方法加以校正以目前之商用量測儀而言在進行縱向位移之校正時一
般是使用階高標準片來傳遞標準而階高標準片則必須以光干涉之方法對其進行校
正使其階高高度能夠直接追溯至國際單位制之rdquo公尺定義rdquo干涉顯微鏡於 Z方向
具有極高的量測解析度對於階高標準而言利用干涉顯微鏡的干涉條紋分析方法
可直接追溯至原級標準在一般商用的干涉顯微量測方法中相移干涉術相較於白
光干涉而言具有較高的量測解析度也較為容易進行追溯然而量測行程卻受限
因此為了可量測較大範圍(10 nm 至 100 microm)的階高標準片我們預訂設計一個干
涉儀以干涉條紋的整數與小數分開處理的方式求取其階高值此一增加階高高
度的方法可作為我們建立階高標準的參考
92年購置簡易型干涉顯微鏡先評估以干涉條紋分析法和雙傾角影像法提供
10 nm~3 microm 的校正能量93年將再增加一套垂直位移台和雷射干涉儀來校正干涉
顯微鏡內部的電容位移計以掃瞄式白光干涉術(scanning white-light
interferometry)建立光學式絕對階高校正系統並分別以光學式與探針式之量測儀
量測不同等級之標準片使二者計算之表粗參數能相容自行撰寫軟體以建立分析
模式並陸續測試干涉顯微鏡的各項性能如表面粗度量測技術 PZT 平台位移
白光定位精度等
(三)完成量測軟體之追溯概念與統計分析方法設計規劃軟體驗證的八大步驟
軟體追溯之架構可分為八個步驟以下將以形貌量測軟體 SPIP 為例做說明量測參
數為表面粗糙度
- 27 -
決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
- 28 -
法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
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commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
- 30 -
Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
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圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
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表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
- 36 -
【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 27 -
決定軟體追溯之目標
SRR之設定
SRD之建立與確認
MSRD之建立
MSRR之確認
MSRD輸入測試軟體之隨機化設計
TR追溯數據之分析
軟體追溯結果之表達
註SRR - Standard reference result標準參考結果SRD - Standard reference data標準參考數據MSRD - Modified standard reference data修正後之SRDMSRR - Modified standard reference result修正後之SRRTR - Testing result測試軟體之輸出結果
圖 1軟體追溯之八大步驟
表面組織（Surface texture）特性對機件使用時的磨耗及潤滑疲勞破壞接
合面黏著性汽缸與活塞滑動面間之氣密性與油密性及外觀光澤質感等都有直
接且重要的影響其中以表面粗糙度(Surface roughness)為甚因此表面粗糙度之
量測與校正需求也日益殷切對於表面粗糙度的表示法國際間已大幅度的修正
且標準化但某些國家仍有不同意見並依照自己國家之要求自行發展並擬訂
適合其本身評估方法的量測值表示法導致表面粗糙度量測值表示法的複雜化
估計目前已被提出之粗糙度參數約在五十種以上(如RaRqRtmRyR3ySmhellip
等)
傳統的表面粗糙度量測儀僅提供平均粗糙度參數值(RaRq)且不一定有圖
形顯示當欲獲得其他表面特性參數時須附加昂貴的參數模組單元即使近代
的量測儀已配備了微處理器形成一量測系統但對所量得之表面形貌(Surface
texture)資料欲更深入分析或建立資料檔案時往往無法自儀器中取得數據因此
發展一套外掛之表面粗糙度分析軟體實有其必要性
本計畫將以SPIP為例驗證SPIP是否以ISO 4287規範表粗參數的定義做數據處
理且不同程式的邏輯方向造成最後結果的不同因此將我們認為合理的結果與
SPIP結果做比對設計SRD前須先了解該軟體的特性與使用狀況以要因分析
- 28 -
法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
- 29 -
commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
- 30 -
Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
- 31 -
圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
- 32 -
表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
- 35 -
實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
- 36 -
【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 28 -
法找出可能造成測試軟體輸出結果誤差的因子(Factor)依感興趣的範圍找出各因
子的水準(Level)擬定實驗設計(Design of experimentDOE)模式設定數個已知的
結果參考國際相關標準規範ISO 4287428832745436-15436-2來設定SRR
依據ISO 5436-1各type的標準片選擇適用於較精密的範圍來模擬SRD
執行軟體追溯的過程中會遇到的困難是雖知理論上可建構一組SRD來驗證
測試軟體但是又該如何確認所建構出來的SRD其準確度是最高等級的呢根據
英國國家物理研究院(NPL)Centre for Mathematics and Scientific Computing的M G
Cox 與 PM Harris表示SRD的建構是透過一個已經過公認或規範上的公式給
予設定的標準結果來建構數據因此只要將輸出和設定值作個比較就可以證
明SRD的準確度因此本文採用不同軟體來確認SRD之準確度以提升對此SRD
的信心才可當作是測試軟體的原級標準
建構出之RD可以不同軟體做分析進行確認的動作若這些軟體的輸出表現一
致或在使用者允許誤差的範圍之內則此RD便可視為SRD當用以驗證軟體時
將更具有信心例如以MatlabStatisticaExcel三種軟體做分析透過三個軟體的
輸出結果做比較若因子是屬於分類的形態則可利用變異數分析(Analysis of
varianceANOVA)的統計方法檢定三種軟體之分析結果是否相同在95 之信
賴水準下若因子是屬於連續的形態則可利用迴歸分析(Regression analysis)檢
定三條擬合曲線之截距與斜率項是否相同若無顯著差異則表示此RD便可視為
SRD若檢定結果有顯著差異則須再回歸檢查建構RD之程式是否有誤已達成
確認SRD正確性之目的
依照要因分析法找出可能影響測試軟體輸出的重要因子採用統計上的變異
數分析檢定在約95 的信心水準之下測試軟體輸出之結果與標準參考結果是
否有顯著的差異存在得以找出重要因子若有則找出影響準確度的的主要來
源並對此因子與偏差量做迴歸分析找尋偏差量是否具有可預測性若可預測
則可以迴歸分析之曲線進行預測將來使用該軟體某範圍時即可進行偏差量的
修正若無法預測則可將不規則的偏差量視為影響輸出結果的誤差來源之一
將偏差量轉換為運算之不確定度當然如果偏差量過大大於使用者可接受的
誤差範圍則表示該軟體不適用可考慮採用其他偏差量較小的軟體或同一套軟
體的其他版本來取代
若檢定出來某因子對偏差值y有顯著影響且因子水準又屬於連續形資料例
如振幅對偏差值有影響將振幅當作獨立變數(Independent variable)x偏差值當作
反應變數(Response variable)y則可嘗試以迴歸分析找出兩變數是否有線性或其他
關係式存在將此關係式視為軟體追溯後之校正曲線則使用該軟體時可透過
校正曲線將軟體輸出結果做適當修正越多因子影響軟體輸出結果之準確性
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
- 29 -
commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
- 30 -
Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
- 31 -
圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
- 32 -
表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
- 35 -
實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
- 36 -
【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
phase grating with 218 = 262 144 Eight scanning headsDigital interpolation 212 = 4096
finally furnishes 230 = 1 073 741 824resolution 00012U = 0005
PTB
resolution 0035rdquo
其追溯結果就須分不同的組合給定會更複雜因此在設計SRD時若能依照該
領域之專業知識與經驗判斷能找出最有可能影響軟體準確度的重要因子越能
清楚表達追溯之結果而不須過於複雜其他尚未考慮到設計成SRD之因子可
合併計算至不確定度裡
FY93以後會陸續利用這套軟體驗證的方法運用在表粗參數Ra和Rz奈米粒
徑奈米線距和線寬分析軟體的驗證
(四)角度原級標準先期研究
搜集到國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格者有德國(圖2)西班
牙(圖3)法國(圖4)美國與義大利(表1)規格資料如下
圖2 PTB連續角度標準系統規格
- 29 -
commanded difference typical lt007rdquo maximum radial run-out is 03 micromHeidenhain RON 905 EncoderPrecision
plusmn02 arc sec
Budget 125000 EURO (475萬)VAT not included
圖3 西班牙CEM 連續角度標準系統規格
- 30 -
Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
- 31 -
圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
- 32 -
表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
- 35 -
實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
- 36 -
【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 30 -
Accuracylt02 Resolution0035 (RON905)
圖4 法國BNM-LNE 連續角度標準系統規格
表1美國與義大利連續角度標準系統規格
美國 NIST Triple Differential Indexing Table System
解析度 00034不確定度為 018
義大利 Index tables and small angle generators U=024 μrad
由以上資料分析其連續角度標準系統之架構可以光柵數來區分如下表
光柵光盤數 國 家
1 西班牙土耳其
2 PTB法國 BNM-LNE
採用單層光柵架構之連續角度標準都是採用Heidenhain之編碼器RON905 此
種架構在追溯上仍要與其他標準件互校才能完成角度追溯兩層光柵架構之
連續角度標準其兩光柵除了可讀取旋轉光電訊號外兩光柵還可對應轉動利
用這種特性配合角度互校原理就可完成自我追溯PTB的架構連續角度標準
除採用兩層光柵架構外其光柵更是委託Heidenhain特別製作之編碼器其特點
是有特別八組光柵讀取頭所以讀出訊號是八組訊號讀值之平均由於其位置置
於對稱位置可以抵銷掉大部份偏心所造成之誤差若將角度誤差以傅立業級數
展開由八組光柵讀取頭讀值平均結果誤差只剩下8的倍數項有誤差值其餘項
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
- 31 -
圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
- 32 -
表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
- 35 -
實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
- 36 -
【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
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均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
次誤差全被消除一般而言誤差傅立業級數第八項次之振幅值已相當小
參考國際間各國家實驗室之連續角度標準系統規格配合國內角度追溯之精
度需求同時訂定單層光柵架構與雙層光柵架構兩種規格資料(如表2與表3及圖
5)以作為未來採購參考
表2規格A-CMS之連續角度標準系統規格-單層光柵架構
項次 項 目 規 格
1 Wobble 角度 小於 025
2 radial run-out 小於 200nm
3 解析度 0035
4 角度精確度(未經過軟體補償之精確度附校正報告) plusmn02 arc sec
5 重複性與穩定度 005
6 最小轉動角度量 007
7 控制系統 自動角度回授控制系統
8 零點定位 自動零點搜尋定位
9 誤差補正 可程式化軟體自動誤
差補正
10 最快轉動速度 10 rpm
11 最大負重 10 kgw
Table top
- 31 -
圖 5 CMS 之連續角度標準系統-雙層光柵架構示意圖
Drivers(Motor+PZT)
Air Bearings
Encoders
Base
Table and Isolator
- 32 -
表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
- 35 -
實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
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(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 32 -
表3規格B-CMS之連續角度標準系統規格-雙層光柵架構
項次 項 目
1 Component 2-air bearing 2-motor 2-encoders
2 Total travel range plusmn1440ordm continuous
3 Encoder RON 905+AWE RPN 886+IK220 (Heidenhain)
4 Positioning resolution 0036Prime
5 Repeatability and stability 0036Prime
6 Positioning Accuracy 02Prime
7 Drive system RON 905 Servo motor and PZT (range ~ 10Prime)RPN 886
Servo motor
8 Two operation modes
(1) two encoders rotate simultaneously
(2) one encoder (RON 905) is fixed and the other (RPN 886) rotates
independently
9 Radial and axial run-out 25 nm
10 Tilt error (wobble) 002Prime
11 Maximum speed 10 rpm
12 Table diameter 250 mm
13 Table top flatness 05 microm Squareness between axis and table 05Prime
14 Concentricity(shaft and encoder) 50 nm
15 Absolute zero reference shift between two encoders 1rdquo for reference
16 Material Steel (anti-corrosion coating or stainless steel)
17 Table top load capacity 80 kg (axial)
18 Temperature control (20plusmn05) degC for reference (please give
recommendation)
(五)奈米膜厚量測先期研究（本部份工作由韓裔安惠榮博士執行撰寫）
As films get thinner and devices get more complex existing methods for
the chemical and physical characterization of the films are being
challenged Also new materials involved in the semiconductor manufacturing
like high-k thin metals silicides and low k materials require
characterization tools with improved performances compared to the previous
generation of instruments One characterization technique alone is no more
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
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實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
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The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 33 -
sufficient in some cases to get a clear picture of the structure of complex
samples especially when the materials are not well known and their
deposition process is under optimization To understand the accuracy
precision and uncertainty of the methods wide and comprehensive studies
through comparison across many methods are necessary
In this report a metrology-type all-in-one (so-called) thin film
analysis system is designed and pre-studied The new system would combine
the merits of three separate experimental techniques SE SWE and GXR
In this report the practical points for the best performance of the single
wavelength ellipsometer were tested and probed to be adequate The SWE
studied in this report can be installed in the main body of SE so that most
of the mechanical parts are commonly used for both systems A direct
comparison with the certificates of the reference materials can be achieved
by using SWE since most of those certificates are certified at a specific
single wavelength The long-term measurement of the offset value in the
thickness of a certified wafer between SE and SWE can be used for the
performance control of a commercially available SE The basic principles
and the applications of GXR are studied in order to provide the accurate
film thickness without the pre-knowledge of the material properties With
the knowledge of film thickness obtained by GXR one can get more accurate
information of optical properties of materials through SE This combined
method can be especially important for the study of the newly developed
various materials Meanwhile the extension of the spectral range of SE
to the deep UV should be studied in the near future since it is extremely
important for the study of the high-k materials that are considered to be
the main candidates to replace the silicon-based gate materials
The magnitude of the challenges from the worldwide semiconductor
community demands special attention from those in the metrology
characterization and analytical measurements communities
Characterization and metrology are key enablers for developing
semiconductor technology and for improving manufacturing Adequate
research and development for new metrology concepts are continuously
required
- 34 -
(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
- 35 -
實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
- 36 -
【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
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(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
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附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
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附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
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(六)奈米粉體粒徑追溯先期研究
在奈米技術中奈米粉體材料是最早量產商品之一如在 FY92 的國家型奈米計
畫的成果發表會中即有約 9 家展示其研製的奈米粉體產品而目前粉體粒徑量測
方法約有數十種之多其在追溯上和量測準確度上仍有許多技術待克服另外
在奈米粉體的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控使得量測值的變異量
變大如粉體顆粒並非圓形時必須用不同的參數來計算其平均粒徑尺寸而造
成不同的量測結果還有當使用相同檢測設備時也會因不同分析軟體而導玫
量測結果差異因此建立奈米粉體粒徑的追溯標準有其急迫性和必要性
奈米粉體粒徑量測標準項目將研究奈米級粉體粒徑量測技術並規劃及建構粉
體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳
統長度量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追
溯的需求現有的量測方法包括美國NIST發展的差分流動分析系統(Differential
Mobility Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering
SAXS)穿透式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light
Scattering)原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發
展的 Millikan Cell 等我們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉
體粒徑校正系統
本計畫於今年舉辦先期試驗計畫針對國內從事粉體量測之實驗室為瞭解其對
粉體量測技術之能力挑選粉體粒徑的量測技術為能力試驗項目以期達到國內
各實驗室間對粉體粒徑量測的一致性以作為日後粉體粒徑量測的參考本次能
力試驗因為購買的標準樣本是濕式的標準樣本所以參與試驗之單位都採用動
態光雷射散射儀執行量測此樣品經過統一調配濃度為大瓶後再分裝至各小瓶
樣本分交與各實驗室執行量測試驗樣品不需傳送到其他實驗室
本次參與試驗的實驗室共九個其中有三個實驗室無法量測另外有一個實驗
室使用二台設備量測本次試驗總計共有七組數據50 nm 粒徑的量測結果最大量
測值為 612 nm約為 205 的誤差率100 nm 粒徑的量測結果剔除較異常的
誤差者後最大量測值為 113 nm約為 13 的誤差率
由各實驗室回傳的數據得知每個量測設備對於 50 nm與 100 nm的粉體的短期重複
量測都具備很好的重複性但是其間的差異值約有 13 ndash 20 的誤差這些誤差可
能是量測儀器與量測方法所造成的誤差也可能是我們準備樣本時所造成的誤差而
目前國內奈米粉體粒徑量測的追溯體系尚未建立的情形下量測不確定度評估能力亦
顯得較薄弱故舉辦這次能力先期試驗的經驗可以作為日後粉體粒徑量測的重要參
- 35 -
實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
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【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 35 -
實驗室編號
50 nm 試驗數據
Duke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
50 nm
70 nm
30 nm
量測值
60 nm
40 nm
55 nm
633 nm
467 nm
考資料量測結如圖 6及圖 7
圖 6 50 nm 量測結果 (含參考值)
實驗室編號
100 nm 試驗數據
NIST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
100 nm
110 nm
120 nm
130 nm
140 nm
90 nm
量測值
1102 nm
1333 nm
870 nm
圖 7 100 nm 量測結果 (含參考值)
- 36 -
【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 36 -
【技術創新】
（一）全周平均零誤差編碼器(專利申請名稱光學式角度編碼器編號 P07920010TW)
本發明係有關於一種光學式角度編碼器(第1圖)包括二個互相平行之圓形編
碼光柵且共用一中心軸一轉軸與其中一圓形編碼光柵互相連接用以帶動
該圓形編碼光柵轉動一本體用以固定另一圓形編碼光柵一光源產生一光
束在到達此二圓形編碼光柵時為平行該圓形編碼光柵之中心軸之一平行光束一
聚焦透鏡將該平行光束聚焦以及一光感測器置放於該聚焦透鏡之聚焦位置
以偵知莫爾條紋之變化以將光訊號轉為電訊號採用全雙光柵式之光路可消
除光柵之製造與組裝所造成之角度誤差可達全周平均零誤差之準確度
在2001年國際光學工程會議(Proc SPIE)第4401期第267~274頁由Tsukasa
Watanabe所提出之Automatic high precision calibration system for angle
encoder中假設角度編碼器因加工與組裝所造成之角度誤差為δ因為編碼器
旋轉一圈是2π所以角度誤差值δ是週期為2π之週期函數δ可以n 階之傅立業
級數展開(Fourier Series Expansion)來表示可以得如式1之定理
δ= )2sin(1
j
n
jj n
jE βπ+sdotsum
=
(1)
其中Ej為第j項次之振幅βj為第j項次之相位角當在2π範圍內平均取m個
點即每一點間距相位差為 π2 m該點對應之函數值δi如式2所示
δ BiB= )22sin(1
imn
jE j
n
jj sdot++sdotsum
=
πβπ (2)
其中i=0 ~ m-1將這m個點之對應函數值相加後取平均值此平均值等於傅
立業序列中所有m的倍數項總和表示除了傅立業序列中m之倍數項外其他項次
會互相抵消掉以方程式表示如式3
sum sumsum
= =
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡sdot++sdot=
m
ij
n
jj
m
ii
imn
jEm 0 1
0 )22sin( πβπδ
= )2sin(
1jm
mn
jjm n
jmE βπ+sum
=
(3)
利用此項定理在編碼器設計上若有m個等間距分佈在圓周上之讀頭編碼器
之角度誤差讀值平均值為m個讀頭之讀值的平均值原有角度誤差部份會抵消掉
只剩下m之倍數項的誤差此時角度誤差即如式3所示若m趨近無窮大時則所有
傅立業項次都抵消掉只剩下傅立業級數之無窮大項次對於實際系統而言愈
高項次之振幅會愈小所以無窮大項次之振幅趨近於零此時誤差δ趨近為零
例如德國聯邦物理技術院設計之8個讀頭的光學編碼器則角度誤差的傅立業級數
0~7階倍數項之振幅皆為零只剩下8倍數項之振幅不為零(即第8162432hellip階振幅不為零)整體之角度誤差小於0006
- 37 -
本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
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陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
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使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
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測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
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附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
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附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
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附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
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附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
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(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
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項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
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附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
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(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
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附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
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附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
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本發明之光學式編碼器第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵較佳都為一透
明基板上有等間距線條之光柵第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵相對位移
時會產生週期性明暗變化就是莫爾(Moire)條紋莫爾條紋之光訊號偵測可
應用穿透光或反射光再計算莫爾條紋數就可換算出對應轉動角度
本發明之光學式角度編碼器中轉軸較佳為穿過第二圓形編碼光柵之中心軸
或以第二圓形編碼光柵之外緣相連接而光源較佳為一點光源經由一准直透鏡
產生平行光束當點光源位在非中心軸位置時其先經由一分光轉折鏡片將光束
導向朝向於第一圓形編碼光柵並延伸聚焦之中心軸
本發明若使用反射光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源與光
感測器位在第一圓形編碼光柵之同一側則該光束經由第一圓形編碼光柵與第二
圓形編碼光柵後反射回第二圓形編碼光柵與第一圓形編碼光柵以被光感測器
偵測本發明若使用穿透光計算莫爾條紋數以換算出對應轉動角度此時光源
與光感測器位在第一圓形編碼光柵之異側則該光束穿透第一圓形編碼光柵與第
二圓形編碼光柵以被光感測器偵測
在本發明之光路上光束是平行入射第一圓形編碼光柵與第二圓形編碼光柵
後得到穿透或反射之莫爾條紋的光訊號在離開第一圓形編碼光柵與第二圓形
編碼光柵後經過準直透鏡光束會聚焦到光感測器如此相當於有無數個光感
測器讀頭之訊號聚集後由光感測器輸出由式3可知m為無窮大時則所有傅立
業項次都抵消掉此時誤差δ為零
（二）雙傾角影像法校正干涉顯微物鏡的數值孔徑修正參數
目前常見的干涉顯微鏡其干涉方法大致可分為MichelsonMirau以及 Linnik
三種如圖 8所示Michelson 干涉法是在物鏡工作距離(working distance)內擺
放一分光鏡兩道光分別自參考鏡與待測物表面反射後再進行干涉Mirau 干涉法
是將參考反射鏡以及分光鏡皆固定於物鏡裡當光通過物鏡再經待測面反射回物
鏡之後即完成干涉Linnik 干涉法則是使光先通過分光鏡之後在所分兩道光
路上各架設一物鏡光反射回分光鏡後進行干涉由於鏡頭的工作距離以及所架
設之分光鏡組於空間配合上的需求一般而言限制 Michelson 型之放大率約為 10
倍以內Mirau 型之放大率約為 10 至 50 倍而 Linnik 型之放大率約為 100 至 200
倍
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
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陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
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附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
圖8 干涉顯微鏡之光干涉方法
以 Mirau 型之干涉顯微鏡為例當以白熾燈泡為其白光光源時可使用白光掃
描干涉法(White-Light Scanning Interferometry)進行大行程的量測若在白光
之後的光路上加入一單頻濾光片使其成為單頻光時便可使用相移干涉術(Phase
Shifting Interferometry)進行小行程之精密量測光源經過分光鏡之後打入
Mirau 干涉鏡組經反射後之干涉圖形再經過分光鏡進入 CCD 或目鏡以擷取影
像並做進一步之分析
白光經過濾波而得到單頻光之後再通過干涉鏡組可得到干涉圖形在待測
曲面變化不大的情形之下干涉圖形中的相鄰條紋代表其縱向距離相差 2λ 為
了避免在紀錄光強度時產生混淆因此限制當相鄰兩像素位置的縱向距離相差在
4λ 以內時方可使用條紋分析法進行量測以量測階高標準片而言其限制即為
4λ 之階高值以內者才可使用條紋分析法
計量型干涉顯微鏡所使用之量測方法為條紋分析法於顯微鏡架構中將穩頻
雷射光導入為光源由於穩頻雷射光之空間同調性太高必須加以破壞以降低
不需要的干涉雜訊此處採用的破壞方式為於光路上架設一毛玻璃並旋轉之由
於所用之干涉鏡頭為 NIKON 公司所出產之 Mirau 型干涉鏡頭其完整的組裝可使
我們輕易地聚焦並且找到干涉條紋
由計量型干涉顯微鏡擷取之干涉條紋如下例圖所示於同一平面中兩條紋之間
距代表此二位置之高度相差了λ2其中λ代表使用光源之波長當橫向擷取標準
片頂面與底面之干涉條紋後利用弦波擬合法可求得二者之相位差進而計算出
高度然而必須考量因為顯微物鏡聚焦角度所造成的修正係數以得到準確的高
度差值
- 38 -
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 39 -
θ1λ2
l1
當實際光反射於樣本上不同高度的表面時由於 Mirau 顯微鏡頭在聚焦時的光
束夾角將導致光程的路徑差與垂直方向的高度差有少許差異其相位之變化亦
因此而有少許差異此一差異會表現在當以條紋分析方法或相移干涉術量測階高
高度時量測的結果會小於實際的高度因此必須乘上一修正係數(k)以 10 倍
之 Mirau 物鏡而言量測階高高度範圍在 001 microm 至 3 microm 之間時孔徑修正係數
可視為一定值
孔徑修正係數可藉由自動視準儀量測方規之側面傾角並配合方規頂面之干涉
條紋而得在此我們採用一自行設計之方法稱之為「雙影像傾角法」以量測孔
鏡修正係數依目前本實驗室訂定之階高標準片校正程序--光學式我們使用量
測正向傾角與反向傾角的方法同時擷取 CCD 之影像以計算干涉條紋之間距下
圖為 CCD 擷取之干涉條紋與其所對應之實際高度變化示意圖兩個相鄰波峰或波
谷位置的高度差於理論上應為 2λ (λ為光波波長值)然而由於數值孔鏡的影響
必須再一乘上修正係數 k
由上圖可推導正向傾角1
112tan
lk λθθ sdot
congcong 同理反向傾角2
22
lk λθ sdot
cong 另
外在干涉條紋間距之計算方面我們使用 Tamarsquos Zoltan Bilau 等人發展出的弦波
條紋擬合法可用擬合方式求得干涉條紋之空間頻率進而求出干涉條紋之間距
條紋間距與其空間頻率的關係為1
12ωπ
=l 以及2
22ωπ
=l 假設θ為自動視準儀之正向
傾角與反向傾角之角度和( 21 θθθ += )而ω為正向傾角時干涉條紋的空間頻率與
反向傾角時的空間頻率和( 21 ωωω += )經由上述的關係可推導數值孔鏡修正係
數之量測方程式如下
λωπθ4
=k (4)
經由上述方法實際量測 26 次之 k值如下表所列
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 40 -
101920 101946 102042 101896 101885 102229
102333 102122 102257 102165 102061 102190
102280 101879 101615 101995 101905 101875
101940 102163 102058 101840 101897 102062
102257 102116
上表之平均值為 102036標準差為 310711 minustimes 以其一倍標準差做為標準不確
定度因此估計孔鏡修正係數之相對標準不確定度 33
10681020361
10711 minusminus
times=times
=relu
本項屬 A類(A-type)之評估方式自由度 25126)( =minus=kv
【突破之瓶頸】
（一）單波長橢圓偏光技術和掠角 x-ray 反射儀用於奈米膜厚量測
The industrial demands for greater integrated circuit functionality
and performance at lower cost require an increased circuit density which
can be translated into a higher density of transistor on a wafer This
rapid shrinking of the transistor feature size has forced the channel
length and gate dielectric thickness to also decrease rapidly The
current complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) gate dielectric
silicon dioxide thickness can scale down to at least 13 Aring and
consequently the metrology to properly characterize these films is
required
For the practical applications the electrical characterization of
thin film is very important since the reduction of film thickness of the
gate dielectric SiO B2B by 1 ndash 2 Aring can increase one order of magnitude in
the leakage current Subsequently the accurate determination of film
thickness of a gate dielectric is required There are many different
diagnostics to characterize the thin films and including the surface
analysis in situ or ex situ analyses etc the possible experimental
methods are numerous The selection of the proper measurement method
depends on the applications and the manufacturing process of the films
However usually the optical diagnostics are preferred because those are
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 41 -
non-contact therefore non-destructive methods
Because of its outstanding characterization of non-destructive
high-sensitive measurement over various types of materials in bulk or
film the single wavelength and spectroscopic ellipsometry has been the
fundamental technology used inside semiconductor fabs to characterize
the film thickness and composition even for multilayers Ellipsometry
is an optical measurement method to characterize the optical properties
of a material by analyzing the change of polarization state of light
reflected off the surface of a sample material Single wavelength
ellipsometry (SWE) is commonly used when only two parameters are unknown
such as the film thickness d and the real part of index of refraction
n of a given transparent film But SWE is much simpler than spectroscopic
ellipsometry yet far less powerful Spectroscopic ellipsometry (SE)
that utilizes the simultaneous analysis over multiple wavelengths can
be used to determine accurate dielectric functions of semiconductors even
if they are only a few atomic layers thick
Currently a number of traceable or non-traceable film thickness
artifact standards are available for the calibration of optical
instruments used for process development and monitoring of growing
facilities These thin-film standards should be often and regularly
re-certified by the original manufacturers or third accreditation
laboratories according to the requirement of ISO registration However
most instruments used to monitor industrial semiconductor thin-film
processes cannot use the certified values directly because of many
different reasons The most important reason for ellipsometrically
certified wafers can be found in the fact that ellipsometry is an indirect
method to measure a film thickness It means that a variety of algorithms
can be employed to calculate the thickness and refractive index of the
material depending on the configuration of ellipsometry regardless of
whether it is single-wavelength or spectroscopic ellipsometry The
derived parameters are highly dependent upon the layer structure
assumption and optical indices in the applied model and the mathematical
algorithms
As an example most of semiconductor industry use conventional
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 42 -
spectroscopic ellipsometers but the certificate values of thin-film
standards are mostly prepared at a single wavelength for example NIST
and VLSI Standards Inc To overcome this controversy we developed a
single-wavelength ellipsometer integrated to a conventional
spectroscopic ellipsometer Through the long-term monitoring of the
results from both methods the SE can be correctly calibrated based on
the certified materials For this SWE a HeNe laser is used as the
single-wavelength light source and the compact kit of SWE is integrated
to the rotating input arm through a single-mode optical fiber to keep
the beam quality In this way the ellipsometer can keep its original
rotating polarizer configuration
In the meantime the knowledge of the structure properties of
interfaces is a prerequisite for the countless technical applications
originating from physics chemistry biology or engineering This
demand is satisfied by the availability of a large variety of surface
specific experimental techniques which are characterized by specific
advantages and disadvantages Among them the use of x-ray reflection
under the condition of grazing incidence has experienced a massive
upsurge which has been made possible by the technical improvements of
powerful sources and sophisticated instruments The scientific driving
force behind this development is the fact that under these conditions
x-rays provide a nondestructive probe with atomic resolution in space
and time and a depth-controlled sensitivity Another virtue of this
technique is that the weak interaction of x-rays with condensed matter
allows one to interpret the experimental data easily in terms of the
Fourier transform of correlation functions
The importance of accurate determination of film thickness cannot be
overemphasized for the semiconductor industry The most common and easy
way to measure it in the fabs is using an ex-situ ellipsometer And the
performance of the ellipsometer should be regularly calibrated by using
a reference wafers However the certificates of most of reference wafers
for the film thickness are issued by using a single wavelength
ellipsometer To make a proper use of these reference wafers the
measurement and the analysis methods of a final userrsquos should be the same
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
as those of the accreditation partyrsquos If a final user of a commercial
SE wants to perform both spectroscopic and a single wavelength
ellipsometry it is necessary to exchange the light source between white
light-emitting lamp and the single wavelength laser and this method is
both complicate and inaccurate The solution can be found in an
integrated-type of ellipsometer which has both light sources in one body
and the selection procedure of light source should be easy and highly
repeatable We developed a compact kit designed to easily direct a laser
beam to a commercial SE without any modification of original
configuration The direct comparison between the results from SE and SWE
can provide the uncertainty caused by the calibration of ellipsometer
using a reference wafer Since this kit can deliver the laser light to
SE with an optical fiber it is very light and can be easily mounted on
the polarizer arm of any SE Using an optical fiber makes it possible
to use any wavelength of laser as the light source as well By using a
specially designed translation stage for a mirror mount the final
position of the laser beam can be highly repeatable after the repeated
in-and-out motion of the translation stage The panel mount including
the custom designed translation stage is built The overview of the single
wavelength ellipsometer which is installed in the polarizer arm of a
commercial spectroscopic ellipsometer (Sopra GESP5) is shown below
- 43 -
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 44 -
The below table shows a brief comparison of three different measurement
methods mentioned in this report
SE SWE GXR
Light source white light source
(deep UV ndash IR)
single wavelength light
source
(typically a laser)
X-ray (few Aring)
Capability few nm ndash few microm few nm ndash few microm few Aring ndash 200 nm
Uncertainty lt 5 Aring lt 5 Aring lt 2 Aring
Main merit
middot multi-layer
structure
middot point-to-point
inversion to get n k
middot single certified value
middot small uncertainty of λ
middot exact solution available
for a transparent material
middot single or several
layer
middot pre-knowledge of n
k is not necessary
【待改善之處】
（一）奈米粉體粒徑追溯
目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常是利用粉體顆
粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測如表 4及表 5所示本
文就針對幾種目前常用的量測技術做較詳細的說明
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 45 -
Sieve
Sedimentation
Ultrasonic
Particle Counting
ElectromagneticWave Interactionamp Scattering
2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8
100001000100101 um01001000100001
1 nm 10 100 lArr Nanometer-scale Particles
Acoustic Attenuation Spectroscopy (005 ~ 10 um)
Optical Centrifugal Sedimentation (001 ~ 30 um)
X-Ray Centrifugal Sedimentation (001 ~ 100 um)
(04 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing
Electroacoustic Spectroscopy (01 ~ 10 um)
Laser Light Diffraction Mie Scattering (004 ~ 1000)
Quasi-Elastic Light Scattering PCS DLS (0003 ~ 6 um)
Microelectrophoresis (01 ~ 1 um)
X-Ray Gravitational (05 ~ 100 um)
Particle Size Characterization Principle and Measurement Methods
( 5 ~ 100000 um) Sieving
Electrokinetic Sonic Amplitude ( lt 10 um)
Colloid Vibration Current ( lt 10 um)
( gt 10 um) Light Microscopy
( gt 01 um) Scanning Electron Microscopy
1 Aring
表 4 粉體粒徑的量測方法
表 5 各種粒徑量測方法的功能比較
本計畫將分析上述各種粉體粒徑量測儀的量測原理試圖找出可追溯的量測方
法作為原級標準目前已針對下列儀器進行研究如動態光散射儀美國 NIST 的
DMA日本 NMIJ 的 Millikan Cell小角度 X 射線散射儀等本計畫下年度將投入
較多的人力在奈米粉體粒徑量測標準的研究期能在最短的時間內提供國內粒徑
的追溯
Common Nanometer-scale Analytical Techniques
ndashndashradicradicradicL 3 nm ~ 6 microm PCS DLS
ndashndashradicndashradicL 90 ~ 250 nmDMA
radicradicndashndashndashD 5 ~ 30 nm L 1 microm (imaging)D lt 5 nm L lt 5 microm (imaging)D lt 1 monolayer L lt 010 microm
SIMSQuad-SIMSTOF-SIMS
radicndashradicradicradicL 2 ~ 50 nmSAXS SANS
TopographyMorphologyResolutionAnalyticalTechniques
radicradicndashndashndashD 6 nm L 5 mmTXRF
radicndashndashndashndashL gt 3 nm (SEM) L gt 7 nm (FIB)FIB
radic
radic
ndash
radic
radic
radic
radic
radic
Depth Profiling
radic
ndash
ndash
ndash
ndash
ndash
radic
ndash
Distribution
radic
ndash
radic
radic
ndash
ndash
radic
ndash
Shape
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
radic
Micro-structure
ndashD 50 nm L 2 mm times 10 mmHFS ERD
radicL gt 02 nmTEM EDS
ndashD 1 ~ 10 nm L 10 microm ~ 2 mmXPS ESCA
ndashD 2 ~ 20 nm L 2 mmRBS
radicD 2 ~ 10 nmXRD
radicL 2 nmL 15 nm L 07 nm (in lens)
SEM EDSFE-SEM
radicD 001 nm L 15 ~ 5 nmAFM
ndashD 2 ~ 6 nm L 100 nm D 2 ~ 6 nm L lt 15 nm
AESFE-AES
SizeDepth (D) amp Lateral (L)
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 46 -
二奈米元件機械性質量測分項計畫
本計畫於本年度預定的目標為評估完成微壓痕量測系統並設計未來提供奈米壓痕系統追溯用之測深傳遞
標準與力量傳感器波傳行為了解以及電流天平研究綜合成果如下所述
（一）校正壓痕深度完成 Hologage 追溯(位移 50 mm解析度 10 nm)製作 Hologage 與
微壓痕系統的置具整合反射鏡與壓痕內部感測器進行微壓痕測試系統與 Hologage 測試
數據比較評估測深之不確定度為 0014
2002年本系統裝機時Akashi 原廠技師使用 master gage 進行測深校正並
得到一組修正係數(即 Sensitivity=001280)所以本次校正就先以此為基礎來進
行校正再根據校正數據計算新的 Sensitivity 值最終得到符合校正要求的
Sensitivity=001348所以在下次測深校正之前MZT-5 將以 Sensitivity=001348
為測深修正係數進行奈米壓痕量測詳細校正數據如下
1計算各校正點的MZT-5量測值(z BiB)與hologage(hBiB)顯示值的比值(rBiB)
i
ii h
zr =
2計算各z BiB的平均值( r )
20
20
1sum
=ir
r
ltnotegt若 099≦ r≦101則顯示測深系統狀況良好無需調整校正結束
若 r＜099 或 r＞101則進行後續調整步驟
3-1 Sensitivity=001280(調整前)
表 6 調整前校正數據
zBiB hBiB rBiB r
051 0486 0953
101 0974 0964
150 1418 0945
200 1878 0939
250 2357 0943
301 2804 0932
350 3280 0937
402 3738 0930
450 4223 0938
502 4684 0933
093932
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 47 -
552 5186 0939
604 5677 0940
652 6136 0941
702 6584 0938
755 7099 0940
805 7549 0938
851 8028 0943
907 8517 0939
956 8997 0941
1007 9464 0940
3-2 Sensitivity=001363(第 1 次調整001280divide093932=001363)
表 7 第 1 次調整後的校正數據
z BiB hBiB rBiB r
051 0520 1020
102 1036 1016
152 1559 1026
204 2054 1007
254 2578 1015
305 3061 1004
355 3594 1012
406 4075 1004
456 4616 1012
508 5107 1005
555 5608 1010
608 6114 1006
654 6626 1013
710 7146 1006
754 7637 1013
810 8161 1008
101145
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 48 -
853 8640 1013
912 9215 1010
956 9704 1015
1005 10195 1014
3-3 Sensitivity=001348(第 2 次調整001363divide101145=001348)
表 8 第 2次調整後的校正數據
zBiB hBiB rBiB r
050 0488 0976
100 0987 0987
152 1523 1002
200 2007 1004
252 2525 1002
302 3002 0994
350 3498 0999
402 4004 0996
452 4511 0998
503 4967 0987
552 5468 0991
604 5995 0993
654 6525 0998
704 6991 0993
757 7578 1001
806 8018 0995
852 8512 0999
906 9037 0997
956 9565 1001
1008 10067 0999
099555
ltnotegt以上xBiByBiB的單位皆為μm
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
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均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
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【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
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陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
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附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
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附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
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附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
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附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 49 -
（二）完成精密天平評估藉以校正測試力量(01 mN 至 1000 mN)評估相對擴充不確定度
小於 065
1各校正點標準不確定度及有效自由度的計算方式
222rueubucu ++=
其中
uBcB校正點的組合標準不確定度
uBbB校正點的電子天平標準不確定度
uBeB校正點的MZT-5力量設定值與電子天平顯示值的器差標準不確定度
uBrB校正點的重複性標準不確定度
有效自由度νBeff
4
4
444
4 2
2r
c
reb
ceff
uu
uuuu times
asymp
+infin
+infin
=ν
ltnotegt 假設電子天平的自由度為infin
假設 MZT-5 設定值與電子天平顯示值的器差為矩形分配自由度為
infin
在不確定度的計算過程中我們省略了重力 g 值的修正與其不確定
度的影響(此值很小)如此可方便校正程序之進行至於省略了重
力 g 值的修正會造成大約 02的器差(CMS 的 g 值為 978912978
此值與標準 g值 980665 的比值約為 0998)
2各校正點的擴充不確定度
U=k uBc
其中 U校正點的擴充不確定度
uBcB校正點的組合標準不確定度
k 擴充係數
3各校正點相對擴充不確定度及有效自由度
校正點
(gf)
uBbB
(gf)
uBeB
(gf)
uBrB
(gf)
uBcB
(gf)
uBcB
() νBeffB
U ()
001 31E-5 289E-06 577E-06 317E-05 317E-01 18E+03 062
01 31E-5 289E-06 153E-05 347E-05 347E-02 53E+01 0069
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 50 -
02 31E-5 866E-06 208E-05 383E-05 192E-02 23E+01 0040
05 31E-5 231E-05 200E-05 435E-05 870E-03 45E+01 0017
1 31E-5 346E-05 153E-05 489E-05 489E-03 21E+02 00096
2 31E-5 895E-05 231E-05 975E-05 487E-03 63E+02 00095
5 31E-5 114E-03 961E-04 149E-03 298E-02 12E+01 0065
10 28E-5 412E-03 428E-04 414E-03 414E-02 18E+04 0081
20 28E-5 318E-04 612E-04 690E-04 345E-03 32E+00 0011
50 28E-5 383E-02 172E-03 383E-02 766E-02 49E+05 015
100 28E-5 193E-03 221E-03 294E-03 294E-03 62E+00 00072
4校正結果討論
(1) MZT-5 系統評估結果符合計畫要求詳列如下
項目
計畫要求
(名稱奈米元件機械性質)
(編號A427EM2100)
MZT-5 系統
評估結果
荷重範圍 01~1000(mN)
(001~100 (gf))
01~1000(mN)
(001~100 (gf))
力量相對擴充不
確定度 2 小於 065
ltnotegt將表 4中 U之最大值 062與重力 g 值未修正所造成的器差 02進行
組合其值小於 065
（三）完成微壓痕系統操作手冊並試加以評估評估項目包含測試力量測深零點壓
頭尖端半徑以及壓頭角度等五項擴充不確定度為 37 (k=2)
不確定度源 分佈 自由度 相對標準不確定度
力量量測系統的量測誤差 t 49E5 766E-4
測深量測系統的量測誤差 矩形 infin 139E-4
壓頭的角度誤差 矩形 infin -120E-2
測深量測時的零點確認誤差 矩形 infin 116E-3
壓頭尖端半徑誤差 矩形 infin 141E-3
相對組合標準不確定度 185()
有效自由度 ≒infin
擴充係數 ≒2
相對擴充不確定度 37()
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
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附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 51 -
（四）為完成能校正奈米壓痕測試系統的力量傳感器(計劃 FY93 完成)評估精密微量天平
(Max 51 g ≒ 51mN d = 01 μg ≒ 1nN)進一步整合微步進系統與微動平台設計
置具整合壓阻式微力傳感晶片利用微步進系統調整微力傳感晶片位置再使用微動平台
移動微力傳感晶片至精密微量天平
（五）波傳性質研究部分以六階矩陣波傳理論架構分析異向性層狀介質表面波波傳行為
與理論計算層狀物質頻散現象相關成果已發表於 International Seminar on
Environmental Vibration 2003
（六）與 NIST Microforce Project Leader - Dr Jon R Pratt聯繫在微力原級標準技
術上合作初期合作項目選定由我方進行靜電力與結構耦合最佳化模擬提供 NIST 在微力
系統結構尺寸最佳化設計參考同時計算系統結構電位及電場分布情形建立小於 5 x 10-6
牛頓的微力-電量追溯曲線相關研究成果已投稿至國際期刊 Measurement Science and
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
elci
ty (m
s)
Shear velocity (Cu)
Rayleigh velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
Rayleigh velocity (Al)
00 40 80 120 160kxH (Non-dimensional Frequency)
2000
2400
2800
3200
Phas
e V
eloc
ity (m
s)
Shear velocity (Cu)
Shear velocity (Al)
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 52 -
Technology(Accepted for publication)
【技術創新】
bull整合 Hologauge 校正微壓痕系統內部感測器
bull電流天平結構數值分析加速實驗設計
bull多層膜表面波傳性質分析
【突破之瓶頸】
奈米壓痕測試系統的評估工作所涉及的參數眾多國際上目前尚未得到一致的評估
模式本年度挑戰微壓痕系統嘗試設計校正追溯機構與評估其不確定度雖然未
臻完全尚有需補充與實驗之處但對未來可測試 100 nm 下的奈米壓痕測試系統
已建立初步技術能力
【待改善之處】
操控巨觀的測試設備－探針測試材料在奈米尺度下的回應(response)這件工作
(或嘗試)本身就是非常具有挑戰的一門學問與研究在巨觀的世界中標準系統的
能力遠優於待測件的均勻度以目前國家實驗室的Rockwell hardness measurement
system為例使用干涉儀可追溯並量測深度至奈米等級使用靜法碼提供施測力量
可追溯至微牛頓等級對於Rockwell hardness不確定度的貢獻分別只有 10 P
-4P與
10 P
-3P而最佳的SRM也會有百分之幾的不均勻度所以量測系統可以遊刃有餘的評估
待測件但在奈米尺度材料的機械性質測試上往往待測件只有幾百甚至幾十個奈
米的厚度施加的力量也小到微牛頓等級在noise floor不低的量測環境下挑
戰便迎面而來系統的不確定度幾乎與待測件的response相當測試時如何評估便
成為極困難與將要解決的事
【後續工作構想及重點】
- 53 -
bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
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陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
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使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
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測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
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附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
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附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
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附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
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附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
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(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
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項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
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附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
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(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
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附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
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附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
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bull建構具追溯性的奈米級壓痕測試系統並整合動態檢測與刮痕測試等工具以
ISO14577 為目標範本評估系統不確定性進一步分析測試過程雜訊源以期提升整
體系統精度與測試穩定性
bull開發雷射超音波激發技術作為研究薄膜表面波傳性質激發源薄膜表面波傳性質研
究是量測薄膜機械性質的一種可能的取代方法量測中心於 92年開始陸續投入相
關研究並與國內外研究機構緊密聯繫預計以此種方法與壓痕測試方法比對得
出各種標準材料的波傳資料庫進一步研究奈米薄膜波傳行為以定量薄膜機械性
質
三微流量測標準分項計畫
【本年度目標】
bull 微流速量測標準 - U = 2 1 mms
--Micro PIV 系統改良
--微流速量測評估(2nd)
--Micro PIV+ CFD 應用
bull 體積法微流量測平台設計 -Q = 10 mLs -- 10 nLs
--追溯標準(微稱重量測平台)
--微體積法規畫
bull 以流速法進行流量量測
--管路設計與模擬
--稱重比對
【本年度執行情形】
本計畫於本年度預定的目標為建立精簡型microPIV系統包括設計組裝替代 Laser
之光路傳導系統影像處理系統及標準微管道量測平台並設計製作微流體驅動系
統以建立微流量追溯平台及準確的微流體流速評估性能整體架構如下圖所示綜
合執行結果如下所述
（一）光路傳導系統
此部分主要是整合傳統 PIV 與顯微鏡主體而形成一新型微量測工具本系
統特別以 15W之 Xenon Flash Lamps取代雙脈衝雷射作為光源來進行螢光微
粒子(541nm610nm)的照射光源調制機制可採內部或外部控制另外為方
便操作者有較大的工作空間而採倒立式(Inverted)顯微鏡並且需配合螢光粒子
的選用而採用不同的濾鏡組合
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
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均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
（
（
- 54 -
圖 9 顯微粒子影像流速儀架設示意圖
二）影像處理系統
由於PIV系統的量測是以影像為原始基本資料因此影像擷取的品質便攸關
計算結果的正確與否解析度除了取決於物鏡倍率還包含影像上的觀測粒徑
dBe B其估計方式為
( ) 21222spe ddMd += (1)
λ)1(442 fMds +=
其中M 為物鏡放大倍率 pd 為粒徑 LensDEFLf = EFL為有效焦距λ為
反射光波長將投影在 CCD感光晶片上的大小除以每一個感光單位的實際大小
求出像素數目即可得最後在螢幕上的影像粒徑 imgd
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sizepixeld
d eimg _
ψ (2)
其中ψ 代表螢幕上單位像素的尺寸CCD的選取則為配合流速量測而必須具備
高速擷取或雙重拍攝的條件解析度則愈高愈好光源部分與影像擷取部分的
同步控制與時間區隔必須透過一具高頻多通道的同步裝置來達成
三）微管道量測平台製作
微管道量測平台的重點在於微流道的設計預計會影響流體表現的因素
有流道壁面的親疏水性流道的幾何形狀特徵尺寸製程技術工作流
體與壓力溫度等同時流道必須搭配光學部分的要求來進行設計才能得到比
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
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均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
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同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
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【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
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陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
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附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
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附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
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附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 55 -
較理想的量測結果由 Flockhart amp Yang的實驗結果曾預測當特徵尺寸落在微
米的範圍時 Navier-Stokesrsquo方程式仍能有效解釋流體現象普遍應用於氣體
的 Knudsen Number (Kn)亦可用以評估各種統御方程式對流場分析適用性
L
MFPKn = (3)
圖 10 不同 Knudsen number與其對應統御方程式一覽
其中MFP為粒子平均自由徑(Mean Free Path)L為特徵長度不同Kn值所代表的流體條件可參考上圖以工作流體為水做為例子水分子平均尺寸為 37 Aring密度
為 1 gcm P
3P流道特徵長度L = 50 microm則MFP約為 31 nm所以Kn = 621times10P
-5P
仍落在連體(Continuum)的範圍內因此可以判斷目前應用的統制方程式仍為有效
在此必須提出的一點是常用雷諾數(Reynolds Number Re)的算法對於方形管道評
估方式為
νLURe = (4)
其中 L為特徵長度寬深比(Span Ratio)大時L = 管道深度ν 為動態黏滯係數
考量上述微流道的製作與材料性質本計畫採用以 PDMS 為本體製作微流道晶片
步驟如下
1調配 PDMS(重量比)
以天平量測PDMS與Cure Agent以 101的比例混合後置於容器內以玻棒攪拌均
勻
2除氣泡----10 min
將盛有混合 PDMS與 Cure agent的容器置於 vacuum chamber後以真空幫浦抽
真空除氣泡此部分壓力小於大氣壓即可並無特殊規範此外也可以超音波
震盪的方式去除氣泡然而經測試發現其效果不佳故不建議採用
3模鑄成型(Molding)
以鋁箔紙沿欲塑造之母模邊緣折成可盛液體之器皿然後將容器內 PDMS混合液
均勻倒入器皿內使母模上各部分皆有 PDMS分佈並務必使其平坦以免厚度不
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
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附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
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附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 56 -
均勻完畢後再以滴管去除殘餘氣泡直至全部消失為止
4硬化烘烤----50degCmdash3小時90degCmdash1小時
將步驟 3 盛有 PDMS 與母模的器皿置於烤箱中定溫定時於時間結束後取出
慢慢小心地把 PDMS與母模分離開來結構面朝上置於操作平臺以刀具切割所
需範圍後再以小鑽頭(2mm)手動鑽開流體流入流出孔
5表面離子處理----Oxidization(本步驟非必須可忽略)
本處理有兩個目的其一為提供 PDMS與其他物體更為牢固的接合因此將有別
於未處理時之可逆展示其二為將 PDMS表面活化為親水介面方法是送到無塵
室通以氧離子處理
6表面接合
最後完成的 PDMS 僅將其結構面朝下與物體平貼然後稍微施加壓力助其黏結即
可據研究指出可與玻璃PDMS壓克力等材料產生良好的接合反應最大可承
受約為 5 bar的壓力而經過離子處理的界面則可以承受更大的壓力
（四）微流體驅動系統
驅動微流體的方式有多種包含電壓式壓差式自流式與推拉式等其
中又依需求不同而有不同的選用一般無特殊要求的情形下以幫浦驅動或針
筒注射的方式即可達到要求但流量越小注射幫浦的震動量顯現比例越大因此
無法滿足奈米流量的研究工作因此本系統設計以微量穩定氣體驅動流體的
方式做為微流體驅動平台並評估此平台驅動流體壓力之不確定度為 4此為
下年度需改善之目標之一
根據microPIV系統內的 CCD快門速度及解析度物鏡放大倍率光源能量干擾
與不同微流道尺寸下的流率本計畫所設計之系統規格整理如下
1 microPIV系統
(1) 光源部份
15W Double Shot Xenon Flash Lamps 12 波長分佈 180nmndash2000nm
(2) 導光系統
光束擴展器 IX70倒立螢光顯微鏡
(3) 影像擷取
高速 Interline CCD Double Shot (200 ns)
BW 1024 times 1280 12bit Frame Grabber
(4) 時間控制
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
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附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
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附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
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附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
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附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
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附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 57 -
同步裝置 4 CHs Res = 1 ns (5) 資料處理 個人電腦 (Athlon 12 GHz 644M Ram)
2 微流體驅動系統 (1) 幫浦 乾式電動幫浦 110VAC
(2) 電子秤 數位輸出有效位數為 0001 g 靈敏度 10P
-7P
(3) 差壓計 RPM4 A160kA160K
(4) 驅動氣體管路 串聯 2 精密調壓閥各兩組調控氣壓
(5) 雙集水槽 微流水系統儲存槽 x2
(6) Micro Flow Chip 標準微流道晶片組 - 長 20mm 寬 100+2200+2300+2um 高 60+1um
由上述系統規格得知以 Double Shot Xenon Flash Lamps之時間延遲及能量
互不干擾下估計出測量的時間間隔下限為 50 micros當考量 CCD Sampling rate及解
析度(eg 32x32 integration window)量測 10X鏡頭時最快可達 214 ms60X
鏡時最快 036 ms因微流道應用領域之不同生醫工業用微流量計大部份針對
實體應用的微流道作一定流率量測底下整理為本系統的整體量測能力其中可
視面積大小為量測所得空間解析度乃根據光學系統景深及計算區域重疊率來
決定(本系統基本上設定為 50 Overlap)
PIV 量測能量
量測速度範圍 0335 micromsndash214 ms (32x32 pixels)
空間解析度 25 microm times25 microm times228 microm
可視面積大小 95 microm times76 microm ndash 860 microm times680 microm
物鏡工作距離 40X 26 mm 60X 017 mm
適用粒徑範圍 01 microm ndash 10 microm
【技術創新】
一般學界在探討微流時通常以重力法或注射幫浦來驅動流體在微流道中的流動但我
們考慮追溯上的需求以及流量愈來愈小的趨勢又必需兼顧流動穩定性我們特別設
計了以氣壓差來驅動液體系統以符計畫所需
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 58 -
【突破之瓶頸】
由於目前各 NMI 尚無微流(~100 nlmin)等級的標準校正系統我們一開始參考儀器
商及學界(如 UCLA 戴聿昌教授)的方法但最後經驗讓我們認知到即便是微升或奈升
等級的流量量測需以稱重法完成追溯體系因此在校正系統上我們結合 microPIV
體積法及稱重法在同一個微流驅動平台上以便可以依據流率範圍或追溯需求在同一
量測平台上進行所需的校正
【待改善之處】
目前雖可同時進行流速法及稱重法的量測且已可用以校正商產的微流感測器體積
法亦正設計中但在此微小流量下驅動系統容易受環境因素干擾致使流率穩定性不
佳而所採用的微量天平亦不理想此部份必需在爾後改善
【後續工作構想及重點】
bull因為微流量的校正尚無一定作法為求慎重我們必需同時研究流速法稱重法及
體積法未來的一年在完成體積法建立後必需釐清這些方法在校正上的地位
bull未來一年將持續改善微流驅動及氣源穩壓功能以有效降低可測流量並進行系統
評估以利系統之對外服務
bull為更貼近生醫檢測需求除微流量外因應生物晶片的使用奈升級(nl)分注量必
需開始著手規畫
年度量化成果
目標值實際值 項目
三維奈米尺寸 奈米機械性質 微流量標準 小計
申 請 11 件 01 件 11 件 23 件 專利
獲 得 00 件 00 件 10 件 10 件
國 內 期 刊 12 篇 12 篇 01 篇 25 篇
國 內 研 討 會 22 篇 23 篇 20 篇 65 篇
國 外 期 刊 11 篇 11 篇 11 篇 33 篇 論文
國 外 研 討 會 14 篇 12 篇 12 篇 38 篇
技 術 36 篇 37 篇 31 篇 914 篇研究報告
訓 練 12 篇 11 篇 11 篇 34 篇
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 59 -
陸結論與建議
一三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫
本計畫今年主要執行的項目有三項包括具追溯性的三維掃描探針顯微鏡干涉顯
微鏡用於非接觸式階高和表粗校正軟體驗證的追溯和統計分析方法研究及執行三項
先期研究包括連續角度原級標準奈米膜厚標準和奈米粒徑標準等主要的研究成
果和突破的困難點如下
今年完成了一套光學非接觸式階高校正系統量測範圍 10 nm~3 microm量測不確定
度 222 )60()43(3 DD ∆++ nm在 FY93 經系統查驗後即可提供校正服務在這項系統
研製中我們作了一項改良和一項創新一項改良是將白光光源改為紅光穩頻雷射使
階高量測值能夠追溯到公尺定義一項創新是為了能準確校正干涉顯微物鏡的數值孔徑
修正參數我們設計了一套雙傾角影像法利用自動視準儀方規等來校正數值孔徑修
正參數預訂在 93年提出專利申請
在連續角度原級標準校正系統方面目前並無商品化產品德國 PTB 是和
Heidenhain 公司合作美國 NIST 是委託 AG-DAVIS 公司設計和製作西班牙 CEM 是委
託 Teknicker 公司設計和製作日本 NMIJ 和法國標準實驗室等也都是自己設計研製的
我們曾經詢問過 Heidenhain 公司和 AG-DAVIS 公司他們表示該系統只曾經作過二套且
費用很高Heidenhain 公司更表示目前他們不再作此相同系統僅能提供特別選出高
準確度的編碼器因此今年我們自行設計出我們要的規格然後尋找國外合適的精密製
造廠如 AerotechAG-DAVISProfessional Instrument 等目前已有 Professional
Instrument 公司回覆可以依照我們提供的規格來設計和製作高精度的雙層精密盤利
用此雙層轉盤可以作 Crose Calibration 來作為連續角度原級標準量測範圍為
05rdquo~360ordm期望的量測不確定度為 01rdquo另外我們也研製雙光柵的平均零誤差角度編
碼器可以消除製造和組裝的誤差相關資料己如前章技術創新述該技術今年也已提
出專利申請申請編號為 P07920010TW
在奈米膜厚先期研究方面研究在原有的全光譜橢圓偏光儀中增加掠角 X射線反射
儀的可能性同時研製了一套單波長雷射橢偏儀放在原全光譜橢圓偏光儀的光路上可作
光源切換預訂在 FY94 可以增購掠角 x射線反射儀如此在同一台儀器上可同時擁有
全光譜單波長雷射和 X射線等三種量測方法使量測能力能達膜厚 2 nm 以下量
測不確定度達 01 nm
在奈米粒徑方面目前有許多商品化的儀器可以量測粉體的粒徑其量測原理通常
是利用粉體顆粒本身的特性或者是粉體顆粒所產生的物理現象來量測但是在奈米粉體
的製造過程中其顆粒大小及尺寸分布很難掌控並且因為奈米粉體其量測時變異量非常
大例如粉體顆粒並非圓形時因為尺寸的計算參數不同量測結果便會不同另外
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 60 -
使用檢測設備的量測原理及分析軟體不同所得到的量測結果也會不同我們將規劃及
建構粉體粒徑量測標準之追溯鏈唯現存各種奈米級粉體粒徑量測技術或方法皆無法完
全滿足直接追溯至原級標準的條件由於奈米級粉體粒徑尺度的微小無法以傳統長度
量測儀器如雷射干涉儀直接測得需參考 SI 單位中導出量的方式來滿足追溯的需求
現有的量測方法包括美國 NIST 發展的差分流動分析系統(Differential Mobility
Analyzer DMA) 小角度 X 光 散射儀(Small Angle X-Ray Scattering SAXS)穿透
式 掃描式電子顯微鏡 (TEM SEM) 動態光散射法 (Light Scattering)原子力
顯微鏡(Atomic Force Microscope AFM)和日本 NMIJ 發展的 Millikan Cell 等我
們將深入研究上述各種方法尋求一種適合國內的粉體粒徑校正系統
二奈米元件機械性質量測分項計畫
利用奈米壓痕測試系統分析微小元件以及薄膜材料機械性質是近年來相當熱門的研
究領域許多市售壓痕測試機台均宣稱具有奈牛頓等級的力解析度在缺乏具追溯的實
驗證明下這些測試僅是不具意義的數字變化另一方面來看在準靜態(quasi-static)
測試條件下測試力量的背景雜訊約為 50-100奈牛頓這更加深了機械計量上的疑慮
一昧提升施力解析度是否有其必要性完整且適切的評估壓痕測試系統的不確定性似乎
更具急迫性國際標準組織(International Organization for Standardization ISO)
自 2002年 10 月已針對壓痕測試方法發表三份文件(ISO14577-123)尚有一份在草擬
中其重要性不言可喻
目前還有一種動態壓痕測試方法雖然並未納入 ISO14577 標準測試方法不過這種
特殊的測試方法可以大幅降低測試力量背景雜訊所引入的影響同時可得出其他材料特
性目前量測中心與國外研究機構密切聯繫考慮引入相關的測試技術
量測中心擁有完整的壓痕測試系統校正經歷從洛式硬度維克式硬度直至今年發
展的微硬度測試系統對於厚度 100 nm 以上的薄膜皆可提供穩定的測試結果相關的系
統評估也具備完整的能力對於下一年度發展奈米壓痕系統已有足夠準備
（三）微流量測標準分項計畫
本年度為奈米計量執行第一年在傳統流量跨到奈米計量之際微流量量測為一
必經過程一開始即對其在奈米領域定位有所疑率但檢閱所有相關資料庫微流為
奈米相關研究的一個重要載體其作為奈米計量一環之地位自可釐清
由於目前無各個 NMI 在微流校正資料使得規畫上花了不少時間找方向由本年度的
評估認為以稱重法作為標準仍有其不可取代的地位由於 NIST 即將投入相關研究量
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測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 61 -
測中心將持續注意其動向
本年度已完成流速法及稱重法來校正微流感測器的技術可在同一個壓差式驅動
平台上完成但是其穩定性及流率範圍必需再加以改善因此目前可測之流率下限
雖可達 1 μlmin 等級但不確定度仍不理想因此配合 FY93 完成的微容積感測技
術驅動系統的改善必需加速進行以如期提供校正服務
奈升級校正需求會隨未來整體生醫產業發展息息相關不可預測性仍高造成計
畫規畫及執行上的困擾已現有人力資源在貼近產業需求的能力上也自感力有未殆
我們採用的策略是先滿足現有量測需求再逐步降低流率及劑量量測範圍因此在 FY92
及 FY93 所建立的微流校正系統將可用以服務現有微量液體感測器(micro liquid
sensor)FY94 以後除研究如何進行更低流量量測外更會進行與生醫更加密切的單
劑量校正初期會從微量分注器開始(100 nlndash10 microl)然後再逐步應用至點片機或畫
線機等所幸部份國內廠商如瑞林生物科技等也已開始進行推廣量測中心同仁將會
隨時因應產業變化進行細部調整
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 62 -
附 件
附件一新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63
附件二出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
附件三專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
附件四論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
附件五研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69
附件六研討會成果發表會說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
附件七研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
附件八英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 63 -
附件一
U奈米技術計量標準計畫 新台幣一百萬元以上儀器設備清單
單位新臺幣元
儀 器 設 備 名 稱 主 要 功 能 規 格 預 算 數單 價 數量 總 價 備 註
(中文)
干涉顯微鏡
(Interference Microscope)
平面量測範圍
12 times 09 mm
階高量測範圍
lt 100 microm
縱向量測精度
lt 1
縱向解析度
lt 1 nm
2900000 2630000 1 2630000
藉以建立奈米級之
表面粗度量測系
統配合相移干涉
術及多波長干涉
術以完成表面形
貌計量之階高追溯
路徑為日後改裝
成具追溯標準之基
本架構
(中文)
多功能掃描探針
顯微鏡
(multi-function
al Scanning
Probe
Microscope)
STMAFMMFMEFMS
CM
量測範圍
60times60times5 micromP
3P
解析度
1times1 times01 nmP
3P
2800000 2769965 1 2769965
本儀器購案是購買
一台全功能的掃描
探針顯微鏡將再
整合三維雷射干涉
儀微小角度視準
儀三維原子解析
度及誤差自動補償
的精密定位台溫
度控制和隔振措施
等建立一套具追
溯性三維掃描探針
顯
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 64 -
附件二 奈米技術計量標準計畫 國外出差人員一覽表
短期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
參加會議
訪問研習
參加SPIE 國際研討會及干涉檢測課程
拜訪Professional Instrument 公司
美國 920802~920815
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解國外干涉顯微鏡及角度標準之校正追溯與應用現況
尺寸分
項
參加會議
發表論文
參觀訪問
赴韓參加PIV國際研討會及發表論文
赴日NMIJ參觀風洞及討論比對事宜
韓國
日本 920921~920927
楊正財 微流量測標準分項計畫主持人
推展研究成果技術交流
微流分
項
參觀訪問 參訪NIST Watt-balance 及 micro-force標準實驗室
美國 921109~921116
顧逸霞 微力標準以電磁力實現技術之研究
NIST建構以電磁力實現質量及微力標準技術可作為CMS 未來發展之參考
機械分
項
長期訓練
出差性質 主 要 內 容 出差機構
及 國 家期 間
參加
人員姓
名
在 本 計 畫
擔任之工作
對本計畫之助
益
所屬分
項
客座研習 赴德國PTB參與角度計量標準研究
德國 921018~921218
呂錦華 奈米線距角度標準量測
了解PTB 角度標準之研發現況以為 FY93建立角度標準量測系統之參考
尺寸分
項
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 65 -
附件三 專利成果一覽表
專利獲證
本年度為執行第一年度無獲證案件
專利申請
項次 申請日期 專 利 名 稱 類 型 申請國家 發明人 所屬分項
1 20031117 光學式角度編碼器 發明 中華民國 張良知 劉惠中 陳朝榮 尺寸分項
2 20031230 光纖式彈性體測力
裝置 發明 中華民國 吳誌笙 張啟生 陳其潭 機械分項
3 20031112 微影像流速儀 發明 中華民國 吳孟齋 莊漢聲 楊正財 微流分項
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 66 -
附件四 論文一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 9篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1
Measuring the Thickness of Opaque
Plane-Parallel Parts Using an External
Cavity Diode Laser and a Double-ended
Interferometer
盧聖華闕慶沂李
正中 20031015 7 Optics Communications 荷蘭
2 Error Source Analysis for Step Height
Measurement by Interference Microscope陳彥良 2003122 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
3
Pitch Calibration by an Active
Temperature-controlled Atomic Force
Microscope and a Laser Diffractometer
陳朝榮潘善鵬張
良知 20031128 6
The Sixth Internatioal
Symposium on Measurement
Technology and
Intelligent Instruments
香港
4 Pitch Calibration by Reflective Laser
Diffraction
陳朝榮潘善鵬張
良知彭國勝 200385 9 SPIE 美國
5 Software Verification for Roughness
Parameters 謝佩芬陳彥良 2003123 4
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003
中華民國
6 奈米粒徑量測概論 潘善鵬王振宇 2003320 6 量測資訊 No90 中華民國
7 線距量測及標準追溯 陳朝榮 2003720 4 量測資訊 No92 中華民國
8 奈米技術計量標準之建立 彭國勝陳朝榮陳
彥良 200398 5
2003 奈米國家型科技計畫商
機探討暨成果發表會 中華民國
9 量測軟體之追溯概念與統計分析方法 李佳霖謝佩芬方
承彥 20031212 10
第八屆中華民國實驗室管理
與認證論文發表會 中華民國
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 67 -
(2)奈米元件機械性質分項計 8篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Developing Axisymmetric Parametri Model
for Electrostatic Force Balance 顧逸霞 20031110 3
Measurement Science and
Technology 英國
2
Evaluation of the Uncertainty due to
Abbes Error for Primary Rockwell
Hardness Standard System
潘小晞陳秋賢張
啟生 2003627 5 XVII IMEKO WORLD CONGRESS
克羅埃西
亞
3 Developing Parametric Model for
Electrostatic Force Balance 顧逸霞張啟生陳
燦林 2003123 3
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧吳政忠柴
駿甫 200371 7 微機電系統技術與應用 中華民國
5 奈米結構之機械性質量測及分析技術簡介 昝世蓉張啟生 20031220 5 工業材料 No204 中華民國
6
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
I A General Review
鮑亦興李艮生劉
永慧 20031016 21
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
7
Forward and Inverse Problems of Elastic
Waves in Environmental EngineeringPart
II Inverse Medium Problems of Layered
鮑亦興吳政忠劉
永慧 20031016 14
International Seminar on
Environmental Vibrations
2003 中國大陸
8 微致動器靜電力之模擬與計算 顧逸霞
20031212 8
第二十七屆中華民國力學年
會 中華民國
(3)微流量測標準分項計 4篇
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
1 Analysis of the Effect of Disturbed Flow
on Monocytic Adhesion to Endothelial 楊正財莊漢聲 2003111 13 Journal of Biomechanics 美國
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 68 -
項
次 論 文 名 稱 作者 發表時間 頁數 會議刊名 地 點
Cells
2
Measurement of Micro Diffusion Phenomena
in ChemicalBiochemical Sensor with
Visualized Velocimetry
楊正財莊漢聲陳建
源 2003926 7
5th International
Symposium on Particle
Image Velocimetry 韓國
3 Optical Diagnoses of a Trident Mixing
Sensor in PDMS Microfluidic Device 莊漢聲楊正財 2003123 5
International Conference
on Mechatronics
Technology 2003 中華民國
4 微流場檢測技術 莊漢聲楊正財 200371 17 微機電系統技術與應用 中華民國
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 69 -
附件五 研究報告一覽表
(1)三維奈米尺寸標準及量測技術分項計 6份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 三維表面分析理論與PTB於大階高標準之校正方法陳彥良 200356 12 中文 一般
2 Comparison on Nanometrology Nano2 - Step
Height 彭國勝LKoenders 2003116
77 中文 一般
3 量測軟體追溯與標準參考數據建立之研究 李佳霖謝佩芬方承彥 20031217 26 中文 一般
4 奈米薄膜計量先期研究報告 安惠榮 20031225 27 中文 一般
5 高經度連續角度標準先期研究報告 劉惠中呂錦華陳朝榮 20031225 15 中文 一般
6 奈米粉體粒徑量測能力先期試驗 潘善鵬王振宇陳朝榮
姚斌誠 20031226 14 中文 一般
(2)奈米元件機械性質分項計 7篇
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 UMT5 質量比較儀的校正及不確定度分析 呂惠青 2003716 12 中文 一般
2 Brief Overview of the Recent Studies of
Replacing the kg 顧逸霞 2003730 5 英文 一般
3 薄膜硬度機（MZT-5）測深校正方法與結果 潘福隆 2003821 10 中文 一般
4 電子天平 WZ 215-CW 的校正及不確定度分析 呂惠青 2003930 17 中文 一般
5 表面聲波顯微檢測技術 劉永慧 20031029 8 中文 一般
6 薄膜硬度試驗機（MZT-5）力量校正報告 潘福隆 20031029 11 中文 一般
7 旋臂樑力量傳感器系統 蘇余益吳誌笙 20031231 6 中文 一般
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 70 -
(3)微流量測標準分項計 1份
項次 資 料 名 稱 撰寫修訂者 產生日期 頁數 語文 機密等級
1 CFD 應用於微流道分析之模式建立與實驗驗證 楊正財陳建源莊漢聲 2003331 19 中文 一般
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 71 -
附件六 會成果發表會說明會一覽表
研討會一覽表
項
次 研討會名稱
舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 干涉顯微三維形貌量測技術研討會 920923 新竹 48 16
成果發表會說明會一覽表
項
次 成果名稱 舉辦期間
(起~迄)
舉辦
地點
參加
人數
廠商
家數
1 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921106 高雄 68 39
2 九十二年度國家度量衡標準服務與成
果說明會 921111 新竹 65 35
合 計 133 74
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
- 72 -
附件七
研 究 成 果 統 計 表
成果
項目
專利權
(項數) 著作權論文
(篇數)
一般研究報告
(篇數)
技 術 創 新
(項數) 技術 技術移轉 技術服務 研 討 會
分項計畫名稱 獲證 申請 (項數)國內
發表
國外
發表
技
術
調
查
訓
練
產
品
製
程
應用
軟體
技
術
引進
(項數)
項
數
廠
家
項
數
廠
家
場
次
人
數
日
數
1三維奈米尺寸標準
及量測技術分項
2奈米元件機械性質
分項
3微流量測標準分項
0
0
0
1
1
1
4
5
1
5
3
3
6
7
1
2
1
1
小 計 0 3 10 11 14 4 3 181 3
合 計 0 3 21 18
註(1) 技術創新一欄中所謂產品係指模型機零組件新材料等
(2) 專利權及著作權項數以當年度核准項目為主若為申請中案件則於次年度中列報
(3) 研討會含在職訓練成果發表會及說明會
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
73
附件八 英文對照表
英文縮寫 英文全名
ASTM American Standards of Testing and Materials
CCL-TCL Consultative Committee for Length
-Technical Committee for Length
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
CNS Chinese National Standards
CSIRO Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
CFD Computational Fluid Dynamic
DIN Deutsches Institut fuumlr Normung
GXR Grazing X-ray Reflector
ICMT International Conference Mechatronics Technology
ISMTII International Symposium series on Measurement Technology and
Intelligent Instruments
ISO International Standard Organization
KRISS Korea Research Institute of Standards and Science
METAS Metrology and Accreditation Switzerland
MSRD Modify Standard Reference Data
MSRR Modify Standard Reference Results
NRC National Research Council Canada
NDL Nano-Device Laboratory
NIST National Institute of Standards and Technology 美國國家標準技術院
NMi Nederlands Meetistituut
NMIJ National Metrology Institute of Japan
NML National Metrology Laboratory
NPL National Physical Laboratory
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
74
英文縮寫 英文全名
PZT Piezo-electric Transducer
PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt
SAXS Small Angle X-ray Scattering
SE Spectroscopic ellipsometry
SPIE The International Society for Optical Engineering
SRD Standard Reference Data
SPIP Scanning Probe Image Processor
SRM Standard Reference Material
SWE Single wavelength ellipsometry
SI International System of Units
ICMT International Conference on Mechatronics Technology
PIVrsquo03 2003 5P
thP international symposium on Particle Image Velocimetry
