計畫編號：93-1403-31-辛-00-00-00-24

經濟部標準檢驗局九十三年度奈米國家型計畫執行報告

奈米技術計量標準計畫（2/6）

（第二年度）

全程計畫：自九十二年一月至九十七年十二月止

本年度計畫：自九十三年一月至九十三年十二月止

中 華 民 國 九 十 四 年 一 月

報 告 內 容

1

目 錄

壹、年度活動紀要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3

貳、前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3

參、計畫變更說明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4

肆、執行績效檢討

一、與計畫符合情形

(一)進度與計畫符合情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5

(二)目標達成情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

(三)配合計畫與措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16

二、資源運用情形

(一)人力運用情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17

(二)設備購置與利用情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17

(三)經費運用情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17

三、人力培訓情形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19

伍、成果說明與檢討

一、三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23

二、奈米元件機械性質量測分項計畫⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51

三、微流量測標準分項計畫⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯54

陸、結論與建議⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯67

附件

一、新台幣一百萬以上儀器設備清單⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯70

二、出國人員一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71

三、專利成果一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72

四、論文一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73

五、研究報告一覽表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯76

六、研討會/成果發表會/說明會⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯77

七、研究成果統計表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯78

八、英文對照表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯79

2

壹、年度活動紀要

93.01.29 完成 FY93 細部計畫議價簽約

93.02.10 標檢局黃主任秘書參訪奈米標準實驗室及工研院奈米中心

93.02.25~28 改良之經濟型µPIV參展「台北國際儀器展」

93.02.27 FY92 計畫期末查證

93.03.03 FY94 中綱計畫審查

93.06.11 標檢局第一次實地稽核「微流量量測」分項

93.07.22 光學式奈米階高 10 nm-3 µm量測範圍和雷射繞射儀校正線距 280

nm-10 µm量測範圍的系統查驗

93.08.18 FY93 計畫期中查證

93.08.11 舉辦奈米壓痕技術發展及未來展望技術研討會（新竹）

93.09.01 參與 2004奈米國家型科技計畫成果發表會發表論文

93.10.21~23 改良之經濟型µPIV參展「AOI Forum & Show 2004」

93.11.10 FY94 細部計畫審查

93.11.17 「微影像流速儀」專利獲證(證號 I221516)

93.11.23 標檢局第二次實地稽核「軟體測試」工作項目

93.11.25 協辦國家度量衡標準實驗室業務說明會，計 29 廠家、45 人次參

與。（台南場）

93.12.08 協辦國家度量衡標準實驗室業務說明會，計 26 廠家、40 人次參

與。（台北場）

貳、前言

「奈米技術計量標準計畫」之目的為建立具良好追溯性的奈米標準與計量技術，發

展以原子或分子為基礎的計量標準，並配合奈米國家型科技計畫開發奈米計量技術，以

為我國長期產業及經濟發展奠基。本計畫以三個分項進行 9 個量測參數研究，

3

本年度計畫架構如下：

量測追溯類 分項計畫 量測參數量測追溯類 分項計畫 量測參數

參

奈米技術計量標準計畫

尺寸參數量測追溯

力學性質量測追溯

微流量測標準

奈米元件機械性質量測

三維奈米尺寸標準及量測技術

三維奈米尺寸

連續角度標準

幾何形貌及形狀之分析軟體測試

微硬度

彈性係數

波傳性質

微流標準

奈米粒徑

微區奈米級表粗

奈米技術計量標準計畫

尺寸參數量測追溯

力學性質量測追溯

微流量測標準

奈米元件機械性質量測

三維奈米尺寸標準及量測技術

三維奈米尺寸

連續角度標準

幾何形貌及形狀之分析軟體測試

微硬度

彈性係數

波傳性質

微流標準

奈米粒徑

微區奈米級表粗

、計畫變更說明

本年度無計畫變更。

4

肆、執行績效檢討

一、與計畫符合情形

(一)進度與計畫符合情形

預定進度 實際進度

進度 月份

93年度

工作項目 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

A.三維奈米尺寸標準及量

測技術分項計畫

具追溯性三軸計量型原

子力顯微鏡

‧雷射干涉儀採購

‧機械組件加工及組裝測

試

連續角度原級標準

‧精密角度定位轉盤採購

及測試

‧機械組件加工及組裝測

試

軟體驗證

絕對式階高及表粗

奈米粒徑量測技術

B.奈米元件機械性質量測

分項計畫

微施力機構力量校正

‧整合天平與施力機構

‧微施力機構校正

奈米壓痕系統

＊＊(8) (9)

＊ ＊ ＊(14)(12) (13)

＊ ＊(10) (11)

＊ ＊ ＊(5)(4) (3)

＊ ＊(2)(1)

＊＊(7) (6)

(16)(15)＊＊

＊(1)

＊(2)

＊

5

進度月份

93年度

工作項目 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

‧系統建立

‧評估測深所造成之不確

定度

奈米尺寸薄膜波傳性質

數值模擬

超音波激發技術研發

C.微流量測標準

‧體積法之校正平台

‧系統評估與驗證

‧參考追溯與查核

‧單劑量測測技術

‧國際期刊投稿

(6)

(4)

＊

＊

＊

＊＊

＊(1)

(5)

(5)

(6)

＊

＊

＊ ＊

＊ ＊(4)(3)

(7) (8)

(3)(2)

6

(二)目標達成情形

1.三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫

計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討

A. 具追溯性三軸計量型

原子力顯微鏡

1.雷射干涉儀採購作業

․完成雷射干涉儀採購

及性能測試(0.1 nm，

測試報告)

․進行具追溯性三維計量型掃描顯微鏡 Z軸的

雷射干涉儀規格訂定及詢價，於 2月提出 Z

軸雷射干涉儀 (解析度 0.08 nm) 請購，3月

完成訂購，6月 18 日貨品已抵達台灣，代理

商收貨時發現可能運送中損壞，雷射光訊號

很微弱，送回原廠維修，7月到貨並完成性

能測試及測試報告驗收。

2.完成三軸計量型原子

力顯微鏡機械組件加

工及組裝測試

․進行具追溯性三維計量型掃描顯微鏡細部規

格討論及零組件規劃設計，同時請購導螺

桿、滾柱滑軌等組件。4月完成具追溯性三

維計量型掃描顯微鏡機構設計(設計圖)，5~6

月進行零件圖和立體圖審查和修改、提出機

構用 Super-Invar 特殊材料請購、加工準

備。10 月完成三軸計量型原子力顯微鏡機械

零組件委託加工及組裝。12 月完成三軸計量

型原子力顯微鏡初步微調及測試。

․本研製項目有 3位德國 Ilmenau 科技大學研

究生參與本項研究，包括 Mr. Christoph

Noack 和 Miss Cornelia Gieβler 於 93年

3 月 10 日到 6月 9日，參與具追溯性三維計

量型掃描顯微鏡研製中的操作軟體開發。德

國 Ilmenau 科技大學研究生 Mr. Felix

Kiesel 於 93年 9 月 30 日到 94年 3 月 24 日

參與計量型原子力顯微鏡硬體改裝操作程式

開發。

7

計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討

B. 連續角度原級標準

1.精密角度定位轉盤採

購及測試

․完成精密角度定位儀

(0.1＂~360 °) 採購作

業

․完成精密角度定位儀

驗收及性能測試(解析

度 0.05 ＂，測試報告)

․詢價精密角度標準轉台並於 93.3.31 提出購

案(量測範圍 0.1＂~360 °，解析度

0.05 ＂)。二次流標後，變更請購異動，控

制器(工業級電腦)改由國內購買，6月 1日

直接與 Aerotech 原廠議價，6月初完成精密

角度定位儀採購案議價，直接向 Aerotech 公

司原廠採購(10 月交貨)。

․第三季完成微小角度部份之追溯研究，與微

小角度干涉儀之量測不確定度初步評估。

․所購之連續角度原級標準系統於 10 下旬送

抵中心，進行該連續角度原級標準系統之測

試驗收，因定位精度無法達到預定規格，無

法驗收，11 月 10 日送回美國原廠，11 月 24

收到原廠通知，是雜訊隔離線有問題已更換

解決，並於 12 月 1 日運抵台灣海關，12 月

24 日完成驗收測試。

․本計畫原設計

採用兩層的光

學編碼器和兩

層的馬達控制

來作角度原級

標準，但無廠商

願意接受委

託，最後更改設

計為採用二個

分離的角度定

位儀，其中一個

採用高精度的

角度轉盤，再搭

配多邊規和自

動視儀作Cross

calibration，

另外再設計小

角度干涉儀，以

滿足原計畫目

標。

2.機械組件加工及組裝

測試

․完成連續角度原級標

準系統組裝(組裝程

序)

․完成連續角度原級標

準系統測試(測試報

告)

․12 月 24 日完成儀器驗收測試後，即依設計

組合精密角度定位儀、多邊規、自動視準儀

等在同一個花崗岩平台台，組成 Cross

calibration 的角度標準系統，並於 12 月 31

日完成初步測試。

․儀器到貨驗收

時發現有一個

約 35＂的固定

偏移誤差，組裝

測試工程師亦

無法解決，經討

論後決定送回

原廠重測及排

除故障，而影響

後續的組裝測

試，最後於 12

月 24 日完成驗

8

計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討

收，及於 12 月

底完成計畫目

標。

C. 軟體驗證

1.完成軟體驗證規格設

計(設計規格書)

2.完成軟體驗證分析報

告(研究報告)

․本計畫首先購買表粗參數相關的標準規範包

括 ISO 4288 和 ISO 11562。再進行表粗參數

之規範定義綜整與分析、參數可測試部份之

初步構想討論，擬定測試流程與測試項目，

經討論決定以 NPL 模式的數據產生器與產生

參考數據來測試表粗軟體，執行步驟中同時

引入胡玉書老師的動態主邏輯架構圖(DML)

來檢查數據產生器的程式撰寫流是否合理，

並於 6月完成表粗 Ra 和 Rz 軟體測試規格設

計。

․完成數據產生器和參考數據後，依續測試自

行撰寫的表粗軟體和一套商用的表粗分析軟

體，以 Data generator 產生弦波、三角波、

方波型參考數據(SRD)，代入這二套軟體進行

Ra 及 Rz 測試。11 月完成＂表面粗度軟體之

測試程序與結果分析＂，及撰寫成技術報告

一篇。

․另外也針對表粗軟體的濾波(filter)部份作

測試，8月完成濾波(filter)測試之軟體程

式撰寫、數據產生器程式撰寫，產生濾波的

參考數據後以 Rq來作相關計算與比較，於

12月完成自行開發軟體和一套商用軟體的濾

波測試。

․11 月 23 日接受主管機關不定期查驗審查。

D. 絕對式階高及表粗

․完成絕對階高校正系

統規格確認(30

nm~100 µm)

․完成絕對階高校正系

․2 月完成欲達絕對階高校正系統(30 nm~100

µm)規格，其週邊所需配合之設備、改良方法

等規格之確認。

․架設自組之四相雷射干涉儀，並擷取 PZT 中

9

計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討

統改良

․完成絕對階高校正系

統測試

Cap sensor 的訊號，以進行白光掃描 PZT 之

位移非線性誤差評估分析。8月完成以雷射

干涉儀或光纖干涉儀作絕對階高校正系統改

良硬體組合(30 nm~100 µm)。

․11 月以自動視準儀作 100 µm 位移直線度測

試，角度變化量在 10 角秒以內。12 月完成

以光纖干涉儀作 Z軸位移線性度測試。

․配合空間使用，干涉顯微鏡及光學式奈米階

高校正系統於 5月搬遷至 67館後，及設計和

製作干涉顯微鏡之壓克力罩，以減少空氣擾

動造成的影響。儀器搬遷後重新作系統評

估，及修改「階高標準片校正程序-光學式」

及「階高標準片校正之系統評估報告-光學

式」為第二版。於 7月 22 日完成「階高校正

系統-光學式」系統查驗。

․進行階高標準片曝光用光罩先期設計和委託

台灣光罩試製。

E. 奈米粒徑量測技術

․完成奈米粒徑標準系

統規格設計及儀器採

購

․完成粒徑標準系統追

溯方法研究

․經多次討論奈米粒徑量測方法，決議先以動

態光散射法建立量測系統，並著手規劃設備

採購規格。3月同仁因他計畫出國，順道前

往德國 PTB參加 Nanoscale 2004 研討會時，

到德國SympaTec及英國Malvern粒徑量測儀

器商了解軟硬體開發情形。經評估後，決定

採用SympaTec公司的量測儀並於4月中旬提

出請購案。該公司國際業務經理 Dr.Kesten

亦來訪，討論奈米粒徑技術及儀器的價格。5

月完成議價及訂購，6月下旬粒徑量測儀到

貨，6月 30 日完成測試驗收。

․研讀 ISO13321 動態光散射奈米粒徑量測規

範及收集動態光散射儀量測查核數據之後。

參考規範中的量測原理，建構量測方程式，

10 月進行 20、50、100、200、500、1000 nm

․在執行系統查

核期間，發現粒

徑量測儀中的

雷射功率不穩

定，原廠於 11

月提供

Nanophox 儀器

作為替代設

備，執行測試工

作，將故障的儀

器送回原廠維

修，及增加溫度

控制軟體和數

據擷取和輸出

介面。

10

計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討

標準粉體粒徑量測和系統數據查核。並於 11

月完成粒徑標準系統追溯方法研究和粒徑量

測儀量測不確定度評估方法。

․在計畫執行期間同時和工研院其他實驗室共

同研究粒徑量測技術，包括在第三季以新購

粉體粒徑量測儀量測化學實驗室自製的標準

奈米粉體（五瓶）、二氧化鈦粉體、機械所

印表機奈米顏料及溫濕化實驗室奈米金/銀

材料的粒徑量測。和工研院奈米中心合作執

行共同實驗室對奈米粉體粒徑的先期能力試

驗。

F.其他 ․因空間不足及配合工研院奈米中心整體規

劃，進行搬遷 67館準備工作，如實驗室空調

改善工程及設備基礎座需求規劃、設計及發

包等。光學式奈米階高校正系統和雷射繞射

儀於6月已從光復院區16館搬遷至中興院區

67館。奈米粒量測儀 6月到貨時亦安裝於 67

館。

11

2.奈米元件機械性質量測分項計畫

計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討

A. 微施力機構力量校正

1.整合天平與施力機構

․完成微施力機構與天

平整合(詳細設計圖)

․完成整合設計電子圖檔，含機構運動測試。

․由電子圖檔，計畫成員可以檢視各零件組合

及運動狀態，檢查無誤後已彙整為圖冊。

2.完成微施力裝置的整

合測試

․完成微施力裝置的整

合測試(測試數據)

․完成整合測試工作及測試數據分析。

B.奈米壓痕系統

1.完成奈米壓痕系統建

立

․完成奈米壓痕系統採

購、驗收

․與系統廠商就校正方式與測試方法進行討論

與溝通，並接洽國內學術單位，對本計劃欲

採購的系統進行評估。奈米壓痕系統於已於

6月完成所有功能驗收。

2.評估測深所造成之不

確定度

․完成奈米壓痕系統操

作分析(操作手冊)

․第三季設計奈米壓痕系統各量測參數校正裝

置，並進行相關評估作業及操作手冊之編

撰，有關測試系統的校正工作，首先利用雷

射干涉儀就測深部分進行校正實驗。並設計

實驗校正奈米壓痕系統施力感測元件，其他

量測誤差如壓頭面積函數、機台柔性評估，

零點與熱漂移誤差等也陸續進行，12 月完成

所有實驗及評估工作。

C.奈米尺寸薄膜波傳性

質數值模擬

․完成奈米尺寸薄膜波

傳性質數值模擬(技術

報告)

․研究薄膜表面波傳現象，代入模擬數據，研

究數值結果。

D.超音波激發技術研發

12

計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討

․完成超音波激發裝置

採購、測試(操作手冊)

․評估中的脈衝雷射售價遠超過預算，且pulse

energy都不大，改採用 pulse duration略

高(

3.微流量測標準分項

計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討

A.體積法之校正平台

․完成體積法之校正平

台設計與製作。

․完成 MicroPIV 改良與組裝設計規劃，包括前

端光源及後端影像擷取兩方面。

․上述系統完成校正測試、改良技術已申請專

利。

․已完成體積法校正平台設計與製作。

B.系統評估與驗證

1.完成體積法與流速面

積法的量測比對

2.完成微流量校正系統

建 立 ， 流 率 0.1

μL/min ~ 1mL/min

․系統評估：改良後之稱重式微流量校正系統

可校正流率達 0.1 μL/min ~ 10 mL/min 不

確定度為 3%。

․體積法校正方法已完成與流速面積法之量測

比對。

․完成微量液體流量系統評估報告及校正程

序，設計製造、校正監控系統/數據處理暨程

式說明等技術文件之撰寫。

․以現購有之商用微流量計，進行秤重法量測

實驗，作為系統未來之查核件。

C.參考追溯與查核

․建立微流量測查核件 ․微流量量測微管道矽晶片以及玻璃片

--5 月底於材料所進行陽極接合並完成微流

量測微管道之標準件

--6 月完成標準件及比對用流量計使用說明

報告。

․以現有之設計為基礎，規劃設計微流晶片所

需的光罩，並進行軟體模擬驗證。進行軟體

模擬驗證，完成微流量測查核件之建立。

D.單劑量測技術

․完成單劑量之量測儀

器及量測技術等資料

蒐集。（資料報告）

․已完成單劑量量測技術之資料收集及市場調

查 並考慮同時以體積式微液滴校正單劑量

量測技術進行校正。

․完成單劑量之量測儀器、市場需求及量測技

14

計 畫 目 標 目 標 達 成 程 度 差 異 檢 討

術等資料蒐集及資料報告。

E.國際期刊投稿

․完成國際論文投稿 ․完成國內論文 2篇及國外論文 2篇。

15

(三).配合計畫及措施

本年度無簽約之合作研究案，但實質上與學界進行之合作有：

1.三維奈米尺寸方面：清華大學動機系合作參與尺寸分項全周平均零誤差編碼器研

究；雲林科技大學機械系合作參與尺寸分項 Abbe 誤差和角度偏差問題研究；德國

Ilmenau 科技大學參與三維具追溯 SPM 研製工作。

2.微流量測方面：清大動機系劉通敏進行相互合作，由博士班學生協助微流量測設

備規劃與實驗；與中山大學潘正堂教授合作進行微流場量測，產出一篇論文發表於

Journal of Sensors and Actuators A: Physical

二、資源運用情形

(一).人力運用情形

1.人力配置

主 持 人 分 項 計 畫

( 名 稱 及 主 持 人 )

預 計

人 年

實 際

人 年

(1).三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫主

持人：陳朝榮

3.41 3.52

(2).奈米元件機械性質量測分項計畫主持人：

張啟生

3.75 3.75

計畫主持

人：彭國

勝

(3).微流量測標準分項計畫主持人：楊正財 2.84 2.41

註：差異若超過 15％，請說明理由。

2.計畫人力 單位：人年

分類 職稱 學歷 合

年 度

狀 況

研 究 員 級 以 上

副 研 究 員 級

助 理 研 究 員 級

研究助理員級

研究助理員級以下

博士

碩士

學 士

專 科

其他

計

預計 4.58 5.42 0 0 0 3.25 5.2 0.75 0.8 0 10.0

93 實際 4.96 4.72 0 0 0 3.19

5.8

80.32 0.27 0.03 9.68

16

註：採用工研院職級計算

(二).設備購置與利用情形

本年度一百萬元以上儀器設備計 4件，請參閱附件一之儀器設備清單。

(三).經費運用情形

1.歲出預算執行情形

單位：新台幣千元

會計科目 預算金額 佔預算

％

決算金額 佔決算

％

差異說明

(一)經常支出

人事費 10,345 32.0 10,344 32.0

業務費 2,288 7.1 2,289 7.1

維護費 285 0.9 284 0.9

旅運費 465 1.4 464 1.4

材料費 1,983 6.1 1983 6.1

管理及共同費 4,966 15.4 4,965 15.4

公費 248 0.8 248 0.8

經常支出小計 20,580 63.7 20,577 63.7

(二)資本支出

設備費 11,720 36.3 11,719 36.3

廠房建築 0 0 0 0

資本支出小計 11,720 36.3 11,719 36.3

合計 32,300 100 32,296 100

註：1.預算按簽約計畫書之數填列。

2.決算含支用及權責保留數。

17

2.歲入繳庫情形

單位：新台幣元

科 目 本 年 度 預 算 數 本 年 度 實 際 數 差 異 說

明

財產收入 －

不動產租金

動產租金

廢舊物資售價

技術移轉

權利金

技術授權

製程使用

其他－專戶利息收

入

罰金罰鍰收入

罰金罰鍰 18,650

其他收入

供應收入－

資料書刊費 109,489

服務收入－

教育學術服務

技術服務

審查費－

業界合作廠商配合

款

收回以前年度歲出

其他雜項

合 計 128,139

18

三、人力培訓情形

(一).國外出差

1.赴美參加 ASPE2004 研討會、發表論文（陳朝榮研究員，10/25~11/4）。

前往美國 Orlando 參加 ASPE 2004 研討會，發表論文“Determination of

Aperture Correction Factor of Interference Microscope by Double-tilt Imaging

Method＂及前往 NIST 訪問奈米計量相關實驗室，包括 Surface and Microform

Metrology Group, Nanoscale Metrology Division 等部門，了解 NIST 在顯微形貌、

奈米階高、線寬、奈米粒徑標準方面之研究，帶回 94年開始執行的 5年奈米計畫書

“Nanomanufacturing Program＂

2.參訪 NIST 及 PTB 實驗室技術交流研習。（吳誌笙，10/9~12/2）

前往 NIST 訪問 Dr. jon Pratt ，了解 NIST 靜電力天平的發展現況及靜電力天

平目前的應用方向，並就微力量測議題討論 NIST 與本中心合作內容。訪 NIST 後參

訪位於 Minneapolis 的奈米測試儀器商 Hysitron 公司總部，了解奈米壓痕測試應用

領域之最新發展，及討論 ISO 規範與制定中的 ASTM 規範、奈米壓痕技術未來發展方

向。

3. 參加於桂林舉辦之第 12 屆國際流量研討會（楊正財博士，9/12~9/18）

報告量測中心於微流計量上的努力，獲得日本 NMIJ流量部部長 Dr. Takamoto

與 PTB Dr.Dophoide 肯定，Dr. Takamoto 與清大教授一致建議流率再往下一個

order。

(二)國際技術交流

國際合作與交流一向都是計量標準計畫的重要技術來源之一，本中心與各國家

實驗室如 PTB、NIST、NMIJ 等均保持密切的來往，本年度如前述安排 3人次出國參

訪外，此外亦藉著德國 PTB 奈米壓痕計畫主持人 Dr. Herrmann 8 月間訪問台灣的

機會，邀請國內業者、中研院學者及國外奈米壓痕儀器廠商舉辦小型技術研討會，

針對歐盟奈米壓痕計畫以及國內外發展現況進行討論。

另 9/24~10/1彭國勝博士藉由赴北京參加 CIPM CCL-WGDM長度諮詢委員會長度

計量工作小組會議及以 APMP TCL（長度技術委員會）主席身分報告 APMP TCL 工作

情形，會中了解各國奈米計量發展現況及技術交流。

(四).教育推廣

1.國內研究生培訓：

（1）清華大學動機系研究生周坤毅君參與尺寸分項全周平均零誤差編碼器研究：

19

本計畫 92年在角度量測技術方面，提出一創新的方法＂全周平均零誤差編碼器

“並申請中華民國專利中，該生參與此研究，己完成硬體架構設計、製作、和組裝，

預訂 94年 6 月前會完成測試工作。

（2）雲林科技大學機械系研究生林群傑君參與尺寸分項 Abbe 誤差和角度偏差問題

研究：精密定位台是長度計量的重要技術之一，近年來各國家標準實驗室和科研機

構如德國 PTB、荷蘭菲利浦、德國 Ilmenau 大學、東京大學等都在研究數十公分級

長行程和奈米級解析度的三軸精密定位儀，且要解決 Abbe 誤差和角度偏差的問

題，該生參與這項研究工作，第一階段先研究一軸行程 20 mm 和一個角度的誤差補

償，然後再擴充至二軸和三軸，目前已完成一軸的硬體架構和角度感測器的研製，

94年 6 月將會完成測試工作。

（3）清大動機系博士班學生劉昌盛君參與微流量測分項計畫研究：由於微流最大

應用為生醫領域，傳統機械流體領域人員較缺乏此領域背景知識，劉生本身具生命

科學背景，參與本計畫一方面使其個人專長得以發揮，一方面本計畫同仁亦獲得微

流應用的相關知識。例如：結合流體量測技術與生化分析知識，發展出以流速量測

為基礎的分子擴散量測技術。

2. 國外研究生培訓：德國 Ilmenau 科技大學研究生參與三維具追溯 SPM 研製工作

本中心於 91年 11 月和德國 Ilmenau 科技大學簽署技術合作備忘錄，該校可派研究

生來量測中心參與奈米計量相關的研究，今年共有 3位研究生來作 3-6 月的研習，

其中 Mr. Christoph Noack 和 Miss Cornelia Gieβler 於 93年 3 月 10 日到 6月

9日，參與具追溯性三維計量型掃描顯微鏡研製中的操作軟體開發，他們的研究項

目是將原來舊系統中原子力顯微鏡和線距校正程式分別用兩台電腦控制，用

Labview 程式將這二個程式整合在一台電腦中，同時擷取新購的 Quesant 原子力顯

微鏡的 DSP 控制程式碼，整合在同一操作程式中，結束研習時已完成接觸式的原子

力顯微鏡操作模式並撰寫成技術報告一份。

另一位 Mr. Felix Kiesel 於 93年 9 月 30 日到 94年 3 月 24 日配合吳財福作計量

型原子力顯微鏡硬體改裝和繼續撰寫非接觸式的操作程式，並預訂將研製成果在

2005年 9 月的 Ilmenau 科技大學的國際研討會中發表，以顯示雙方技術合作的績

效。組裝完成的具追溯三維 SPM 的照片如下圖:

20

3.受邀演講

93.2.24 赴 台 積 電 公 司 演 講 “Nanometrology in National Measurement

Laboratory＂；

93.3.11 赴中正大學機械系演講 “奈米計量及量測儀器設計實務＂；

93.3.19 赴台灣科技大學演講 “計量型 SPM＂；

93.3.17. 赴 TDMDA 台灣平面顯示器材料與元件產業協會 演講“Nanometrology in

National Measurement Laboratory＂；

93.4.21. 赴工研院產業學院 演講 “奈米線寬及線距量測技術＂；

93.5.17. 赴台灣科技大學演講 “光電技術在精密尺寸量測的應用＂。

4.「奈米科技與檢測技術」專書銷售

FY92 本計畫同仁及中心其他奈米有關人員共同著作出版「奈米科技與檢測技術」專

書，本年度銷售 538 本。

5.舉辦技術研討會及說明會

「奈米壓痕技術發展及未來展望技術研討會」：

藉由德國 PTB奈米壓痕計畫主持人 Dr. Konrad Herrmann 8 月 7 日至 8月 15 日訪台

之的機會，邀請國內業者、中研院學者及國外奈米壓痕儀器廠商舉辦小型技術研討

21

會，就下述 4個主題進行研討。

「Development Tendencies of Hardness Metrology」、「Application fields and

metrological perspectives of the laseracoustic measurement method」、「Results

of the European project “ Certified Reference Materials for Depth Sensing

Indentation Instruments＂ 」、「 Development of calibration methods for

nanoindentation instruments」，講演德國 PTB 的最新研究進展及主導的歐研究計

畫。由於台灣特殊的國際環境，較難參與國際研究計畫，能藉此瞭解國際合作的研

究計畫進展對於未來規劃有很大的助益。這些研究規劃與奈米機械性質量的計畫規

劃同質性很高，在這幾天的討論中獲益良多，同時也藉此機會向國內產學研單位介

紹我們的研究成果，此次的研討會也吸引美國的儀器商 Hysitron 公司的研究人員注

意，自費來台參加並介紹該公司利用奈米壓痕系統在 low k 材料以及 DLC 研究上的

最新進展。

「國家度量衡標準實驗室業務說明會」：

本年度國家度量衡標準實驗室舉辦之業務說明會分別台南、台北場舉辦，內容與往

年略有不同，除校正服務外增加可移轉技術之說明，本計畫於會中說明奈米階高量

測系統服務及微影像量測技術。

22

伍、成果說明與檢討

一、三維奈米尺寸標準及量測技術分項計畫

【年度目標】

(一)研製三維具追溯性掃描探針顯微鏡，量測範圍 60×60×5 µm3，完成具追溯性之整體機

構改裝。

(二)研製具追溯性奈米階高標準校正系統，量測範圍 30 nm~100 µm，量測不確定度 22 )5(10 D+ nm，其中 D為階高值，其單位為μm (FY93 下半年及 FY94 評估)。

(三) 研製連續角度原級標準，建立可量測角度範圍 0.1＂~360°，最小解析度 0.05＂，

量測不確定度 0.1＂(FY94~95 評估)。

(四)建構標準參考數據(SRD)資料庫以驗證幾何形貌量測軟體之表粗參數 Ra 及 Rz。

(五)建立奈米粒徑標準及量測技術(5 nm~5000 nm)

【本年度成果】

（一）具追溯性三維 SPM：

本年度延續去年的工作，去年採購一台 Quesant 的多功能掃描探針顯微鏡，今年則

重新作機構結構設計和重組一台三維具追溯 SPM，利用 Solid works 設計的三維機構

圖如下:

該儀器可量測試片為 12 ＂晶圓，移動部份分為粗動和微動部份，粗動的機構是滾柱導軌

和伺服馬達來控制，行程是 10×10×20 mm3，微動的機構是三軸的壓電驅動平台，行程是

100×100×10 µm3，組裝好的實體照片和操作程式規劃如下圖:

23

(二)光學式奈米階高系統

1.絕對階高量測系統測試項目

（1）以 30 nm 至 3 µm 等階高標準片測試絕對式階高校正系統，其量測不確定度須小於

10 nm。

（2）以自動視準儀測試絕對式階高校正系統中 PZT 之縱向位移直線度，測試範圍 3 µm ~

100 µm，其直線度誤差須小於 0.3%。

（3）以光纖干涉儀測試絕對式階高校正系統中 PZT 之位移，測試範圍 3 µm ~ 100 µm，

其非線性誤差須小於 0.3 %。

24

（4）環境測試：利用標準片對相同位置進行重覆量測，由量測值之變化可得知環境變化

對儀器是否有影響。

2.絕對階高量測系統測試方法

（1）以 30 nm 至 3 µm 等階高標準片測試系統

經去年以及今年年初之系統評估，得到絕對式階高校正系統之量測範圍為 10 nm 至 3

µm，量測不確定度小於 5 nm。另外由系統之查核數據資料亦顯示其不確定度亦穩定地

落於此範圍內，因此本項測試已完成。

（2）以自動視準儀測試系統中 PZT 之縱向位移直線度

於干涉顯微鏡系統下方底座架設一 45度之垂直反射鏡，並於顯微鏡鏡頭下方固定一平

面反射鏡，接著水平方向架設一自動視準儀，使其瞄準垂直反射鏡且量測光路自鏡頭

下方反射鏡傳回。接著以白光掃描模式驅動 PZT 使其進行位移，並記錄自動視準儀之

X與 Y軸之角度偏差量，再利用三角函數計算其直線度誤差。

（3）以光纖干涉儀測試系統中 PZT 之位移非線性誤差

如下圖所示，於顯微鏡鏡頭處黏附一平面反射鏡，並於干涉顯微鏡系統下方底座架設

一光纖干涉儀。接著利用 DAQ 卡，於 PZT 控制卡內讀出電容感測器(cap sensor)之位

移讀值。由光纖干涉儀與電容感測器位移值之比值，可得到 PZT 之非線性誤差曲線。

（4）利用重覆量測標準片進行環境測試

本系統於年中由新竹市光復院區 16館搬遷至新竹縣中興院區 67館奈米科技研發中

心，於搬遷完成之初期，在對同一標準片相同位置進行重覆量測時，發現其量值差異

變化極大。推測原因可能是環境不穩定所造成，因此擬利用此方法進行長時間之環境

影響測試。

3.絕對階高量測系統測試結果

（1）以 30 nm 至 3 µm 等階高標準片測試系統

25

本項目已於去年底完成(詳見階高標準片 ICT 與 MSVP)。

（2）以自動視準儀測試系統中 PZT 之縱向位移直線度

位移(µm) 0 5 10 15 20 25 30

角度(□) 0.35 0.85 1.25 1.75 2.25 2.5 3.1

位移(µm) 35 40 45 50 55 60 65

角度(□) 3.45 4.2 4.85 5.15 5.65 5.9 6.25

位移(µm) 70 75 80 85 90 95 100

角度(□) 6.55 6.85 7.1 7.45 7.85 8.25 8.75

利用自動視準儀對反覆來回垂直位移的 PZT 進行直線度測試，得到其 100 µm

移動時之角度偏移量皆在 10 秒以內。由三角函數計算結果，可知即使時於最大行程

100 µm 之位移，其側向之偏移量亦僅在 0.005 µm 之範圍內，然而側向解析度約為 1

µm，此值遠小於 1個解析度，因此 PZT 之縱向位移直線度的影響，應可忽略。

（3）以光纖干涉儀測試系統中 PZT 之位移非線性誤差

由於光纖干涉儀體積小，使得我們可輕易地將其架設於干涉顯微鏡頭處，而且

可十分地靠近反射鏡，以減少干涉量測時之軸向誤差，並可得到較清晰的干涉訊號，

如下圖所示。

當 PZT 進行位移時，由 DAQ 卡分別讀取干涉顯微鏡 PZT 之 Cap Sensor 訊號，以及

光纖干涉儀量得之位移訊號，將 Cap Sensor 位移值與上述兩者之位移差值做圖如

下。

26

y = 3E-05x2 - 0.0035x + 0.0517

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0 20 40 60 80 100

Position points(µm)

Difference (µm)

forward

backward

curve-f itting

圖中結果可知，由 0 µm 至 100 µm 其非線性誤差在 0.12 %以內，另外可知道白光

掃描時於中段區域的線性誤差較大，由此結果可提供我們將來進行系統評估時，做

為設計量測步驟之參考。

（5）利用重覆量測標準片進行環境測試

系統搬遷至 67 館之初期，曾進行長時間之重覆量測，其量測值之分佈如下圖

所示。圖中可見對於 2.13 µm 之階高量測而言，其量測結果的最大差異竟然高達 8

nm，相對於我們進行的單次量測不確定度之評估結果(約 4 nm)而言高出甚多。

而後我們進行電壓監測、改進接地方式、振動與磁場量測等等，試圖找出可能的影

響原因。由量測結果中，我們排除了電壓與磁場的影響，由於上述不穩定情況較常

出現在上班時間，且出現時間斷斷續續，因此推測可能是各單位進駐奈米中心之初

期，於搬遷儀器或進行地板建物等工程施做時，量測結果受到某些振動之影響。

最近進行的量測結果如下圖所示，在相同的圖形顯示範圍內，可見量測結果的

最大差異僅在 2 nm 左右。推測由於目前已無工程之施做，因此振動影響較小。

27

(三) 軟體測試

1.測試流程

測試計畫執行架構係依據 NPL-H.R. Cook, M.G. Cox, M.P. Dainton and P.M.

Harris, A methodology for testing spreadsheets and other packages used in

metrology. NPL Report CISE 25/99, 1999. 一文中所提之＂Porcedure for testing

software using data generators.＂(如圖 1)來執行。

圖1、Procedure for testing software using data generators

本計畫除測試 SPIP 軟體外，同時亦增加對目前現行的自行開發軟體(由 MATLAB

程式撰寫)進行測試。測試流程依序為：設定參考結果(RR)、撰寫 Data generator、

產生參考數據(RD)、軟體計算表粗參數 Ra、Rz、Rq 及進行測試結果說明、比較與分

析等項目。

28

2.測試目的與範圍

透過測試表粗計算軟體(SPIP、自行撰寫軟體)為例，說明如何從測試目標的訂

定與測試範圍的展開，並透過動態主邏輯圖(DMLD)的分析方式，將測試目標、範圍

與前述之測試流程，做整合與資源分配的展開，以便於在進行測試的流程前能妥善

地完成規劃與構想。

（1）測試 Ra/Rz參數計算之正確性

本研究的目標為測試 SPIP 軟體於表粗計算的正確性，指定測試的參數為 Ra 與

Rz，由測試目標所展開的範圍與項目如圖 2 所示。接著配合上述之「使用數據產生

器」測試流程，利用 DMLD 的分析方法，將相關流程和測試範圍與項目所需採取的行

動及預期使用的資源做整合(如圖 3)。

DMLD 的分析方法能夠協助測試人員掌握整個測試流程的進行，亦可分析當計畫

執行時，資源與時間應如何安排與分配，如此一來可事先做相關的規劃，避免到了

後續的測試階段時，才發現所需要的相關資源不足或無法獲得。

驗證SPIP軟體表面粗度計算

軟體流程正確驗證Ra/Rz計算正確性

計算精度

容許輸入位數

參數定義

波長

波形

弦波

三角波

方波

振幅

範圍

內

13 < RSm

參考

結果

數據產

生器

參考

數據

軟體

輸入

測試

結果

比較

結果

比較方式說明

輸入軟體說明

設計數據產生器與產生參考數據之程序

設定參考結果之規則

軟體操作者 -熟悉SPIP

統計人員 -比較結果

程式撰寫者 -撰寫數據產生器

技術人員 -設定參考結果

EXCEL

STATISTICA

SPIP

MATLAB

Input script temp

測試結果之數值

SPIP 使用手冊

ISO 標準

行

動

資

源

軟

體

人

資

料

能量

參考

結果

數據產

生器

參考

數據

軟體

輸入

測試

結果

比較

結果

比較方式說明

輸入軟體說明

設計數據產生器與產生參考數據之程序

設定參考結果之規則

軟體操作者 -熟悉SPIP

統計人員 -比較結果

程式撰寫者 -撰寫數據產生器

技術人員 -設定參考結果

EXCEL

STATISTICA

SPIP

MATLAB

Input script temp

測試結果之數值

SPIP 使用手冊

ISO 標準

行

動

資

源

軟

體

人

資

料

能量

圖 3、表面粗糙度軟體測試流程之 DMLD

（2）測試表粗 filter 之功能

國際規範中對於表粗量測之要求是以探針式量測儀(Stylus Instrument)作為

檢測工具，當探針式量測儀量得待測表面形貌曲線之後，必須經過濾波器的處理，

濾掉低頻的波紋(Waviness)與高頻的雜訊，剩下粗糙度曲線(Roughness)之後，方可

進一步進行粗度參數之計算。早期的表面粗度量測儀多以電子濾波的方式，於儀器

的硬體介面中進行處理(如圖 4)，然而由於電腦軟體的快速演進，近年來發展之探

針式量測儀皆搭配電腦進行資料的擷取與分析計算，ISO 亦於 1995 年規範以軟體方

式進行濾波。因此，表面粗度軟體濾波功能正常與否，會直接影響爾後計算參數之

正確性，必須有一套測試方法對軟體功能進行檢測。

30

探測組件Magnification switch放大率開關 關斷值選擇器

Cut-off selector

放大器

Amplifier Filter

Traverseunit

收錄器

Pick-up探針

Stylus

濾波器 Ra 儀表Ra meter

記錄器 Recorder

Pen unit 劃筆組件

Ra

探測組件Magnification switch放大率開關 關斷值選擇器

Cut-off selector

放大器

Amplifier Filter

Traverseunit

收錄器

Pick-up探針

Stylus

濾波器 Ra 儀表Ra meter

記錄器 Recorder

Pen unit 劃筆組件

Ra

圖 4、探針式量測儀系統方塊圖

3.測試方法

（1）Ra/Rz 軟體測試方法

透過 DMLD 分析方法，對表面粗糙度計算軟體(SPIP)的測試目標與流程展開後，

繼續以此例來說明實際採用測試流程的相關步驟。測試目標為振幅參數 Ra/Rz 計算

的正確性。振幅參數定義如下：

Arithmetical mean deviation—Ra

∑

1

1 n

ii Dzn

Ra=

−=

Maximum roughness profile height—Rz

Sum of the roughness profile derived from the height of the highest

peak Rp and the lowest valley Rv within a sampling length.

a.參考結果的設定

依據 ISO 4288 Rules and procedures for the assessment of surface texture

規範定義來設定相關測試範圍、波長與參考結果之值。其中針對設定參考結果部份，

選定 RSm 常落在之範圍為感興趣的測試範圍，依據各範圍的取樣長度與評估長度分

別對應到的部份來設定 Ra、Rz 對應的參考結果，此部份因週期波的部份未有相關規

則可循，且週期波為非週期波的特例，故參考非週期波的參數規則進行設定。

b.數據產生器的程式撰寫與參考數據的收集

先分別針對測試表粗參數 Ra/Rz，依序對照先前個別設定之參考結果，透過

MATLAB 軟體所產生之 Data Generator 執行程式，輸入波長、選擇測試參數、決定

取樣間距及設定參考結果，即產生 RD，同時繪製呈現之波形，作為目視審查，並將

RD 存成 txt 檔。此外也利用 EXCEL 軟體對這些 RD 採取進一步確認。

31

分別針對弦波、三角波、方波三種波形，依不同限制條件設定來設計個別的

template，以產生各種波形的逐筆 RD，且所有 RD(共 576 筆)組成之參考數據資料庫

以光碟片的資料儲存型態進行歸檔與控管。

c.測試軟體與測試結果

繼參考結果的設定、數據產生器的程式撰寫與參考數據的收集後，便可開始進

行將 RD 之 txt 檔，輸入到 SPIP(2.21 版)軟體，求出參數 Ra 及 Rz 之計算值。將計

算結果填入先前設計好的表格中，即完成一筆 RD 進行參數計算並獲取結果。

（2）filter 軟體測試方法

對於表粗軟體之測試，我們首先設定參考結果為 ISO 規範中的濾波器響應曲

線。由相關規範中得知，當濾波時選用了長濾波截止波長(λc)，則必須連同特定的

短濾波截止波長(λs)一起使用(ISO 11562 規範的兩種濾波器，如下述)。由於表面

粗度量測時經常使用的λc為 0.8 mm，如下述由規範中得知必須搭配λs = 2.5 μm，

即為圖 5中塗色區塊，而此一濾波器曲線則為參考結果。

ISO 11562 規範的兩種濾波器：

短濾波截止波長(Short Cut-Off Wavelength)

2

0

1⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ ⋅−

= λλα

π CO

eaa

πα 2ln=

10

1 →⇒↑aaλ

00

1 →⇒↓aaλ

λCOλ

長濾波截止波長(Long Cut-Off Wavelength)

2

0

2 1⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅−

−= λλα

π CO

eaa

πα 2ln=

00

2 →⇒↑aaλ

10

2 →⇒↓aaλ

λCOλ

32

圖 5、ISO 11562 表粗濾波函數曲線

根據前述之參考結果，我們利用 MATLAB 軟體撰寫數據產生器，以產生參考數據。

其做法為，產生具不同波長大小的正弦波，作為測試軟體用之參考數據。首先計算各

組參考數據之均方根數值，將這些參考數據逐一輸入待測軟體中，並經過數位濾波器

後，再計算其粗度參數 Rq(均方根)值(任何與振幅大小成正比之參數皆可使用來進行

濾波驗證比較，於此選擇 Rq 係因其定義較為一般人所熟知，且於 Excel 中為內建函數，

可信度高、出錯率低，可直接使用來進行計算)，最後計算此 Rq 值與先前均方根值的

比值。由於 Rq 值之計算方式即等於均方根值，設若沒有使用濾波器，則無論輸入數據

之弦波波長為何，二者之比值皆應等於 1；然而當中間經過了濾波器後，其比值的意

義則代表某波長經濾波後尚可保留之比例為何，亦即當改變參考數據之波長時，相當

於以不同波長量測軟體而得濾波器函數曲線。

由於振幅參數大小與弦波之振幅成正比，因此若不使用表粗參數 Rq，亦可使用其

他振幅參數。另外由於重視的測試結果為濾波前後之振幅比值，因此弦波振幅之設定

大小為何並不影響其結果。

4.測試結果說明、比較與分析

（1）Ra/Rz 測試結果分析

最後透過 template 中參考結果的設定值與測試結果的數據值進行比較，其中

E(d)代表透過EXCEL軟體計算出來之Ra/Rz值與參考值間的差距，S(d)代表透過SPIP

軟體計算出來之 Ra/Rz 值與參考值間的差距，M(d)代表透過自行撰寫軟體計算出來

之 Ra/Rz 值與參考值間的差距；透過 EXCEL 軟體將各筆 RD 之參數設定值與測試結

33

果，進行絕對式比較：(I) 波長不為取樣間距之整數倍—Ra & Rz(如表 2、3)；(II)

波長為取樣間距之整數倍—Ra & Rz(如表 4、5)。由表中發現在 SPIP 這套軟體中，

對於計算 Ra參數的正確性，除了於波形為方波時，波長範圍為 130 μm 到 1300 μm

間，計算的誤差絕對值不超過 0.038 μm 外，其餘皆為誤差為 0 的情形，故在使用

這套軟體進行 Ra 參數計算時，於波形為方波時，波長範圍為 130 μm 到 1300 μm

間時，使用者要格外的謹慎。

使用兩種類型之 RD 進行測試：（I）波長不為取樣間距之整數倍，（II）波長為

取樣間距之整數倍。自行撰寫軟體計算結果皆無差異，SPIP 軟體計算結果分析(如

表 1)：(a)弦波之測試結果皆無差異，(b)三角波之 Rz 測試於類型 I 有所差異，然

於類型 II 卻無差異(c)方波之 Ra 驗證於上述兩類結果顯示有相似差異，前述差異之

原因可能為 SPIP 軟體於取樣或計算時引進之不明原因之誤差。

34

表 1、SPIP 測試結果分析表

（2）filter 測試結果分析

表 2為本計畫表粗軟體測試和 Euromet 軟體測試比對的比較，圖 6為表面粗度

市售軟體與自行撰寫軟體之測試結果，我們以數據產生器產生波長大小由 1.1 μm

至 4000 μm 共 66 筆的弦波波形，以做為參考數據，並逐一代入市售與自撰兩套軟

體中。由結果中得知市售軟體之濾波器並未進行過濾高頻訊號(雜訊)之功能，亦即

其並沒有搭配特定之短濾波截止波長；另外市售軟體之濾波器所使用之長濾波截止

波長亦較理論值小了約 4倍，一些不該去除的波長，經過此濾波器亦會將之濾除。

圖 7為圖 6中之兩條曲線與 ISO 規範之濾波曲線相減之偏差結果，圖中可知僅

在波長範圍為 10 μm 至 100 μm 時，市售軟體之濾波器與規範差異較小，然而其他

區域的差異甚大。在測試自撰軟體的部分，發現大部分波段的測試結果幾乎與 ISO

規範一致，除了在靠近波長為 1000 μm 時有些微的差異，推測此原因應為軟體進行

傅利葉(Fourier)與反傅利葉轉換時所遺失的資料訊息。

綜合以上結果，可知所測試之自撰軟體較符合規範定義，而市售軟體與 ISO 規

範相差甚大，使用者在選用此套市售軟體時應多加注意。由此例中得知，市售軟體

猶如黑箱作業一般，在無法得到其原始程式碼的情形下，是無法瞭解其功能是否合

理正常，執行軟體測試程序與方法實有其必要性，使用者在購買市售軟體時，應要

求軟體製造商開放相關界面，以方便使用者可自行輸入參考數據，進行軟體之測試

程序。

表 2. 本計畫表粗軟體測試和 Euromet 軟體測試比對的比較

Institute Ra Rq Rt Rz Rmax Ra Rq Rt Rz Rmax Ra Rq Rt Rz RmaxPTB 187.02 231.05 1424.7 1245.9 1422 86.91 107.94 628.33 470.47 561.37 423.65 484.11 1484.2 1475.1 1480.4CMS 187.03 231.06 1424.7 1245.9 1422 86.903 107.93 628.33 470.47 561.37 423.75 484.21 1484.2 1475 1480.4ILM 176 217 1248 1112 1248UME 190 230 1470 1300 1470 90 110 630 480 570 430 490 1520 1500 1520METAS 186.5 230.6 1456.4 1236.4 86.9 107.9 628.3 470.5 423.8 484.2 1482.8 1474.8CGM 189 234 1472 1302 1470 87 108 632 475 568 422 482 1501 1486 1501SP 186.8 230.8 1412.5 1198.3 1412.5 86.7 107.7 560.5 460.1 560.5 420.4 480.5 1472.9 1463.5 1467.2NPL 187 230 1422 1242 87 107 625 470 423 483 1507 1479SMU 120 150 1430 736 1150 54.7 70.1 572 294 470 216 250 947 827 909NMi-VSL 186 230 1452 1233 1419 87 108 610 470 610 419 479 1474 1461 1470

505.smd (nm) 1001.smd (nm) 7080.smd (nm)

35

0.0000.1000.2000.3000.4000.5000.6000.7000.8000.9001.0001.1001.2001.300

1 10 100 1000 10000波長(µm)

Ratio Theorem SPIP MATLAB

圖 6、SPIP 與自行撰寫軟體測試結果

-1.000

-0.800

-0.600

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

1 10 100 1000 10000

波長(µm)

deviation SPIP MATLAB

圖 7、軟體測試結果與理論曲線之差異

36

(四) 角度原級標準

1.角度原級標準: 全範圍連續微小角度產生儀

規格:

Air Bearing Rotary Table

Table diameter: 215~250 mm

Metric dimension mounting pattern and holes

Total travel range: +/- 360° continuous

Angular encoder: Heidenhain RON 905( special assigned by Heidenhain)

Positioning resolution: 0.035 arc sec

Positioning accuracy:

b.轉動 ABR1000，使得 polygon 下一面對準自動視準儀，且自動視準儀之讀值為零，

此時 ABR1000讀值為 polygon 上一面與此面間之夾角角度值與 ABR1000讀值誤差

c.重複 step （a）、（b），完成多邊規個各面量測

d.將多邊規轉動，使其第二面對準 ABR1000零點，同樣完成步驟(a)~(c)。

e.重複步驟(d)，直到多邊規之最後一面對準 ABR1000零點，並完成步驟(d)。

f.由以上量測值，以數據處理方法將 ABR1000量測誤差與 polygon 角度夾角分離出

來，可分別得到 ABR1000量測誤差與 polygon 各面夾角之標準角度值。

（2）由 18 面與~24 面之多邊規，經過 cross calibration 校正後，可得到 5°標準角度，

由三角函數關係，可反求 Sin Bar 之臂長尺寸值，配合雷射干涉儀，可得到一微小角

度干涉儀，用以校正自動視準儀，或連續角度量測儀之微小角度。

光偵測器

雷射干涉儀

自動視準儀

Ld1sin−=θ

光偵測器

雷射干涉儀

光偵測器

雷射干涉儀

光偵測器

雷射干涉儀

自動視準儀

Ld1sin−=θ

（3）角度標準之追溯，可以下圖表示。

38

角度原級標準整圓 = 360°

碘穩頻紅光氦氖雷射

長度標準定義一公尺等於光在真空中於 1/299 792 458 秒時間內所行經的距離

自動視準儀

角度追溯圖

多邊規

全範圍連續角度產生儀

高精度微小角度干涉儀

5°標準

(五) 奈米粒徑標準

奈米粉體材料在奈米技術中佔有極重要的地位，國內外各學術單位、研究機構、和未

來的奈米產業者都在積極研究各種奈米粉體的製造技術和開發生產設備及量測儀器。在

奈米粉體的製造過程中，顆粒大小與尺寸的分布很難掌控，如何製造和維持粒徑大小的

均一性及穩定度，是研究奈米等級粉體製造技術中重要的一環。至於奈米尺寸的量測與

驗證則是另一項挑戰，奈米粉體除了尺度極小外，其量測變異也非常大，例如粉體顆粒

若非圓球形時，因不同尺寸計算參數會有不同的量測結果，而使用不同的量測原理與分

析軟體也會造成不相同的量測結果。

市面上有許多商品化的儀器可用以量測粉體的粒徑，量測原理通常是利用粉體顆粒本

身的特性或粉體顆粒所產生的物理與化學現象來分析。所使用的方法和原理取決於所要

探討奈米粉體材料上不同的功能特性，其中單是粉體粒徑在奈米尺度之量測技術極為複

雜。一般粉體粒徑量測儀器依不同的科學原理大致上可分為篩選法、沉降法、粒子計數

法、超音波振盪法、電磁波交互作用和散射法等四大類，表 1 中顯示市售以上述方法所

發展出的粒徑分析技術和理論上之空間解析度，從刻度尺上的標示可以輕易看出眾多現

存的粉體粒徑分析方法中，只有部分技術的量測能量可以延伸到奈米尺度的等級。因此

從另一個尺寸量測的角度來看，這些奈米等級的粉體量測技術可以區分為直接觀察法與

特性分析法。一般對奈米級粉體的認知是粒徑介於 1 nm - 100 nm，一般肉眼或放大鏡

無法直接觀察，而直接觀察法是藉由穿透式/掃描式電子顯微鏡（TEM/SEM）、原子力顯微

鏡（AFM）或光繞射的方式呈現粉體的幾何形貌，進而推算出粒徑的大小；而特性分析法

如動態光散射或差分流動分析法則是根據粉體粒徑因尺寸大小不同在設計系統中呈現不

同特性來分析其尺寸分布的範圍。這些奈米等級的粒徑分析技術因基本原理不同，量測

之結果有其系統上誤差，很難界定出何種特定技術具有絕對的量測準確性，目前皆同時

39

採用不同原理的粒徑分析技術，提供量測數據，交叉驗證可靠度。

表 1. 粉體粒徑量測方法一覽表

Sieve

Sedimentation

Ultrasonic

Particle Counting

ElectromagneticWave Interaction& Scattering

2 3 4 56 82 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 810,0001,000100101 um0.10.010.0010.0001

1 nm 10 100 ⇐ Nanometer-scaled Particles

Acoustic Attenuation Spectroscopy (0.05 ~ 10 um)

Optical Centrifugal Sedimentation (0.01 ~ 30 um)

X-Ray Centrifugal Sedimentation (0.01 ~ 100 um)

(0.4 ~ 1200 um) Electrical Resistance Zone Sensing

Electroacoustic Spectroscopy (0.1 ~ 10 um)

Laser Light Diffraction / Mie Scattering (0.04 ~ 1000)

Quasi-Elastic Light Scattering / PCS / DLS (0.003 ~ 6 um)

Microelectrophoresis (0.1 ~ 1 um)

X-Ray Gravitational (0.5 ~ 100 um)

( 5 ~ 100,000 um) Sieving

Electrokinetic Sonic Amplitude ( < 10 um)

Colloid Vibration Current ( < 10 um)

( > 1.0 um) Light Microscopy

( > 0.1 um) Scanning Electron Microscopy

1 Å

在現階段所有奈米級粒徑量測方法中，考慮粉體樣本量測的準確性，量測數據的代表性，

以及量測速度的條件下，動態光散射為最常用量測原理。動態光散射為光散射法的一種，

又稱為光子相關法，在量測能量上有其優勢與限制，其中最大的限制在於量測樣品的濃

度，為避免因樣品濃度過高造成雷射光與粒子間的作用產生多重散射的現象所改良的光

子交叉相關法(Photon Cross Correlation Spectroscopy, PCCS)為目前光散射法中最具

有量測準確性的方法。因此，以本計畫在於建立粒徑量測標準的目標下，所優先考量的

方法為光子交叉相關法。以下針對於所提及的方法原理加以敘述。

1.量測方法介紹

（1）動態光散射法(Dynamic Light Scattering, DLS)

動態光散射是利用雷射光射入含有粒子的溶液或懸浮氣體中，散射的雷射光會隨

時間呈現散射強度的波動(Fluctuation)，而波動的產生在於微小粒子在溶液中呈現不

規則的布朗運動，粒徑大小不同的粒子在溶液中擴散的速度也不同。當一束光照射在

樣品上時，同時有許多粒子會在雷射光束照射區，不同位置的粒子所產生的散射光到

達光子偵測器時會有光程差，造成干涉效應，影響散射強度。如圖 1 所示，因為這些

粒子隨時在動，其相對位置隨時在變，所以各粒子散射光的強度也隨時在變，造成散

40

射光強度會隨時間而起伏變化。粒徑大的粒子運動和擴散速度緩慢，造成低頻率的擾

動；粒徑小的粒子由於運動速度快，造成高頻率之擾動。通常用相關器(Correlator)

分析散射光強度的擾動訊號，可得到散射光強度的自身相關函數(Self-correlation

Function)。目前市面上分析奈米等級粉體的商用儀器以動態光散射原理居多，係因其

量測速度快、機型選擇性多、價格較具競爭力，加以廠商已將散射原理所涉及之複雜

運算整合至系統內建軟體中，配合新科技的雷射光源、數位相關器、自相關函數演算

法，單一樣本的量測和分析時間可縮短至 3 ~ 5 分鐘，系統不但具有體積小、可攜式，

甚至於單鍵操作的便利性，一般機型宣稱的解析度皆可達 5 nm 以下。

圖 1. 奈米級粒徑散射量測原理

（2）光子交叉相關法 (Photon Cross Correlation Spectroscopy, PCCS)

光子交叉相關法的量測原理基本上是動態光散射法，差別在於其光源會先由光學

鏡組分成兩道雷射光束後打在樣品槽的同一定點，所以其雷射光與粒子作用後所產生

的散射訊號會有兩組。如圖 2 所示，這兩組訊號經由相關器的分析，找出其中相似的

散射強度訊號波段，並進一步轉換成相對的粒徑尺寸大小。由於兩組訊號均源自樣品

槽中的特一定點，其差異性將可過濾因樣品濃度過高產生的多重散射訊號，所以量測

結果不受濃度高低的影響，又雷射光在樣品槽中的位置也不會影響量測的結果，因此

在功能的擴充上改良了一般動態光散射法面臨的濃度與採樣位置的問題。

41

圖 2. 光子交叉相關法量測原理

目前國家實驗室所使用德國 Sympatec 公司生產，型號為 Nanophox 的雷射動態光散射

儀，即是採用這種量測原理所設計的。

2.量測理論

（1）系統示意圖

本系統採用光子交叉相關法 (Photon Cross Correlation Spectroscopy, PCCS)

的原理所設計，光子交叉相關法的量測原理如圖 3 所示，系統實體架構圖如圖 4 所示。

He-Ne Laser

PMT

Computer

Correlator

Cuvette

Collimator Lens

圖 3 光子交叉相關法量測原理

42

Laser光纖 樣本放置槽

He-Ne Laser 第一偵測器光纖

第二偵測器光纖

圖 4 系統實體架構圖

（2）Stoke Einstein Equation

根據ISO13321 “Particle size analysis - Photon correlation spectroscopy＂

Annex C中，

動態光散射儀主要依據Stoke Einstein方程式計算，其計算公式如(1)式所示。

xTkD B

πη3= (1)

其中：

D： Diffusion coefficient (擴散因子)

kB：Boltzmann＇s Constant 布茲曼常數

T： Temperature in degrees Kelvin (K)(絕對溫度)

η：Viscosity(mPas)(介質黏度)

x：Diameter(m) 粒徑

3.量測不確定度分析

43

（1）量測方程式

利用動態光散射儀來量測粉體粒徑的直徑，其直徑值由所用的 Stoke Einstein 方程式

計算，外加軟體計算時的誤差，因此，依據 ISO GUM 粉體粒徑量測的量測方程式可用

(2)式表示:

xTkD B

πη3= (2)

由於實際量測時，散射向量的與訊號接收角度可由公式(3)所表示：

)2

sin(4

0

θλπ

×=nq (3)

訊號接收後，散射向量與擴散因子的衰減關係可由公式(4)所表示：

2qD×=Γ (4)

將公式(3)、(4)代入公式(2)中，可得粒徑與各相關參數的公式如下：

[ ]

02

22

3/2)sin(n4

33 ηλπθπ

πηπη Γ×

=Γ

=Γ

=TkTqkTkx BBB (5)

或x = f (T，n，θ，η，λ0，Γ)

將式 (7)代入 ISO GUM 之式(10)中，可得組合標準不確定度 uc 如下：

)()()()()()( 22

02

2

0

22

22

22

22

2 Γ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛Γ∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

= ufufufufnunfTu

Tfuc λλ

ηη

θθ

(6)

其中

x：Diameter(m) (粒徑)

kB：Boltzmann＇s Constant (布茲曼常數)

T：Temperature in degrees Kelvin (K) (絕對溫度)

n：Refractive Index of Dispersant (介質折射率)

θ：Scattering Angle (散射角度)

λ0：Wavelength of Laser (m) (雷射波長)

η：Viscosity(Pas/s) (介質黏度)

Γ：散射向量與擴散因子的衰減關係

（2）靈敏係數

44

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]0

22

2

022

2

02

2

03

2

0

02

2

02

2

3/2)sin(n16

3/2)sin(n16

6)sin(16

3/2)sin(n32

3/2)sin(32

3/2)sin(n16

ηλπθπ

ληπθπ

η

ηλπθπ

θ

ηλπθπ

λ

ηλπθπ

ηλπθπ

Γ×

−=Γ∂∂

Γ×

−=∂∂

Γ=

∂∂

Γ×

−=∂∂

Γ=

∂∂

Γ×

=∂∂

TkF

TkF

nTkF

TkF

nTknF

kTF

B

B

B

B

B

B

【技術創新】

I.數值孔徑修正係數量測方法與裝置

本創作係一種量測干涉式顯微鏡鏡頭(組)之數值孔徑修正係數的方法與裝置。當干涉顯

微鏡以相移干涉術(phase-shift)或直接條紋分析的方法量測樣本之三維表面形貌時，

由於聚焦物鏡數值孔徑之影響，導致實際量測之光程差並不會等於樣本的高度變化，而

量測所得必須乘上一係數，以修正其高度值。本裝置所使用之方法係以一角度量測儀器

或元件，配合一能使特定樣本產生角度變化的方法，記錄由角度量測儀器或元件所測得

之角度值，以及顯微鏡所測得之干涉條紋影像，再經數值分析方法計算得到數值孔徑之

修正係數。利用此一方法與裝置，可快速地量測干涉顯微鏡鏡頭(組)之數值孔徑修正係

數，並可應用於各類型干涉顯微鏡之儀器中。

本裝置所使用之方法，係以一個角度量測裝置或元件，配合一個能使特定樣本產生

角度變化的方法，記錄由顯微鏡測得之干涉條紋影像以及所測得之角度，再由數值分析

與計算得到數值孔徑之修正係數。可達成上述技術手段之裝置組合有許多種，然而皆脫

離不了由影像與角度而得到數值孔徑修正係數的方法，茲列舉 3種如下。

1.如第 1圖所示，將一方規或具兩垂直表面且其平坦度極高之的物體，如(1)放置於干涉

鏡頭如 Mirau 型或 Michelson 型等具干涉作用之鏡頭，如(2)底下之樣本載台上(3)，

樣本載台需具備可調整側向傾斜角度之功能。

使用單波長光源(可由白光通過濾波片之光源，或接近單波長之燈泡光源，或以旋轉散

光片或振動傳遞光纖將雷射光之空間同調性破壞後之雷射光源)做為干涉顯微鏡之光

45

源(4)，調整顯微鏡頭之垂直位置，使其可聚焦於方規上端面，並可由電荷耦合元件

(CCD)(5)紀錄得到干涉條紋之影像。調整樣本載台之 X 與 Y 方向傾斜角度，使得干涉

條紋影像接近無條紋(null fringe)之狀態，此時樣本載台幾乎垂直於入射樣本之光軸。

將自動視準儀(6)(或使用其他具量測角度功能之儀器)架設於方規之一側，使視準儀之

量測方向為 X 方向。調整視準儀使其對準方規之側面，由於樣本載台幾乎垂直入射樣

本之光軸，使得十分容易地觀察到視準儀之讀值。固定視準儀之調整架角度，以固定

其量測方位，而後進行下列步驟。

調整樣本載台 X方向之傾斜角度(7)，接著調整顯微鏡頭之高度，使得由 CCD 感測而得

之影像出現數條平行 Y 方向之干涉條紋。待穩定後同時讀取自動視準儀之垂直方向角

度( 1θ )以及擷取 CCD 之影像圖形(17)。

接著再調整樣本載台 X 方向之傾斜角度，使其傾斜角度與前次相反(8)，同樣地使 CCD

影像出現數條平行 Y 方向之干涉條紋。待穩定後同時讀取自動視準儀之垂直方向角度

( 2θ )以及擷取 CCD 之影像圖形。

經由上述之過程，可得到角度之變化值( 12 θθ − )以及兩張干涉條紋之影像圖形。

1

2

3

4

5

6

7

8

第 1 圖、數值孔徑修正係數量測裝置架構圖(1)

2.如第 2圖所示，將一角度塊規(9)其中一面扭合於一光學平板(10)上端面，而後放置於

樣本載台上，且使樣本載台傾斜。使用之干涉鏡頭、光源、光感測元件等與前述相同。

首先使鏡頭對準光學平板上且靠近平板與角度塊規扭合接縫處，接著調整顯微鏡頭之

高度，使得由 CCD 感測而得之影像出現數條干涉條紋，待穩定後擷取 CCD 之影像圖形

(17)。

46

再者以 X 方向移動樣本載台之待測面(11)，使鏡頭對準角度塊規之斜面且靠近平板與

塊規扭合接縫處，接著調整顯微鏡頭之高度，使得由 CCD 感測而得之影像出現數條干

涉條紋，待穩定後擷取 CCD 之影像圖形。

經由上述之過程，可得到角度之變化值(即角度塊規之夾角角度)以及兩張干涉條紋之

影像圖形。

910

11 第 2 圖、數值孔徑修正係數量測裝置架構圖(2)

3.如第 3圖所示，以玻璃材質製作一類似角度塊規形狀之楔形角體(wedge prism)(12)，

使其上表面可透光，而於其下表面鍍上一層反射膜(13)。假設尖端夾角為φ (14)，將此

物體放置於干涉顯微物鏡下方進行量測，使單頻光源入射於上表面，並假設此入射角

為α (15)。根據幾何光學，光線經此物體內部產生兩次折射與一次反射之後，由顯微

鏡頭接收之反射光與原入射光間會產生一個角度變化θ (16)，經推導可得其與入射角及

尖端夾角之關係式為 )(2 αφθ −⋅= n ，其中 n為此玻璃材質之折射率。假設此物體底面

垂直於顯微物鏡光軸，則入射角度 φα ≅ ，此時 )1(2 −≅ nφθ ，接著調整顯微鏡頭之高

度，使得由CCD感測而得之影像出現數條干涉條紋，待穩定後擷取CCD之影像圖形(17)。

再者將此楔形角體以水平方向旋轉 180 度，接著調整顯微鏡頭之高度，使得由 CCD 感

測而得之影像出現數條干涉條紋，待穩定後擷取 CCD 之影像圖形。經由上述之過程，

可得到角度之變化值為 )1(4 −nφ 以及兩張干涉條紋之影像圖形。

綜合整理上述方法，角度量測裝置乃用於量測待測面傾斜角度之相對改變量，必須配

合量測樣本之樣式以決定合適之角度量測裝置或元件。例如若量測樣本為方規，則可

配合可調整傾斜角度之樣本平台，以視準儀或自動視準儀或其他具量測角度功能之儀

47

器，量測方規待測面傾斜角度之相對改變量。若量測樣本為將角度塊規扭合於光學平

板上，或為一楔形角體，則由於角度塊規或楔形角體本身即具有一標準角度，此時之

量測樣本可同時做為角度量測元件。

如第 3 圖所示，於上述兩圖形中擷取至少一條 X 方向之截線(18)，得到此橫截線數列

值(19)，另外由 CCD 大小與放大倍率而得知橫截線長度後，再進行弦波之擬合(sine

fitting)(20)或經傅立葉(Fourier)轉換或直接由 CCD 像素計數等方法，可分別得到兩

個弦波之空間頻率( 1ω 與 2ω )，(或得到其週期或空間波長值，然而皆可換算而成為空

間頻率)。

由第 4 圖中可得傾斜角度、弦波波長以及數值孔徑修正係數之間的關係式為

Lk 2tan λθθ ⋅≅≅ 。則前述之兩傾角分別為

11

2L

k λθ ⋅≅ 以及2

22

Lk λθ ⋅≅ ，另外定義角

度之變化值為 12 θθθ += 。而弦波波長(即條紋間距)與其空間頻率的關係為1

12ωπ

=L

以及2

22ωπ

=L ，假設 12 ωωω += ，經由上述的關係可推導數值孔徑修正係數之量測方

程式為λωπθ4

=k 。將θ與ω之量測或計算結果及光源波長λ值代入則可得到 k值。

1 2

1 4

1 3

1 6

1 5

第 3 圖、數值孔徑修正係數量測裝置架構圖(3)

48

17

19

20

18

第 4 圖、擷取條紋截線並進行弦波之擬合，以得到其空間頻率

⋅k

第 5圖、由傾斜角度與弦波波長計算得到數值孔徑修正係數(k)

II.非線性位移校正裝置及方法

一種非線性位移校正裝置，包含：雷射光源、第一至第三光纖耦合器及兩個光偵測器，前

述雷射光源經一光纖連接至前述第一光纖耦合器之入射端，前述兩光偵測器係分別經由一

光纖連接至前述第二光纖耦合器及第三光纖耦合器之反射端，前述第一光纖耦合器之射出

端亦分別以一光纖連接至前述第二光纖耦合器及第三光纖耦合器之入射端，前述第二光纖

耦合器及第三光纖耦合器之射出端則分別連接一光纖且此兩光纖之端面以彼此光學相差

90度並列平行鄰近於待測物。本發明並進一步提供一種非線性位移校正方法，用於校正壓

電致動器之非線性誤差。

本發明之目的在提供一種非線性位移校正裝置，可於有限空間的精密儀器中，提供量測

壓電致動器的微位移變化，並就非線性位移量測結果作曲線擬合補償其非線性誤差，降低

精密儀器因非線性所造成量測結果的干擾。

達到上述目的之非線性位移校正裝置，包含：雷射光源、第一至第三光纖耦合器及兩個

49

光偵測器，前述雷射光源經一光纖連接至前述第一光纖耦合器之入射端，前述兩光偵測器

係分別經由一光纖連接至前述第二光纖耦合器及第三光纖耦合器之反射端，前述第一光纖

耦合器之射出端亦分別以一光纖連接至前述第二光纖耦合器及第三光纖耦合器之入射

端，前述第二光纖耦合器及第三光纖耦合器之射出端則分別連接一光纖且此兩光纖以彼此

光學相差 90度並列平行鄰近於待測物。

本發明之另一目的在提供一種非線性位移校正方法，可校正待測物如壓電致動器之非

線性誤差。達到上述目的之非線性位移校正方法，包含：提供一非線性位移校正裝置；量

測移動之待測物；將前述校正裝置中之兩光偵測器之光學相差 90度的兩干涉訊號轉為相

差 90度的電子弦波訊號；將前述電子弦波訊號輸入至電子细分割電路，以得到待測物之

位移值；將前述位移值轉換為非線性線圖及非線性誤差值；及估算非線性函數，並修正待

測物之非線性誤差。

【突破之瓶頸】

具追溯三維 SPM 組裝過程中接地雜訊的干擾：

在精密量測和控制中，接地雜訊一直困擾者研究人員，常常為了要解決接地的問題，需

要把所有的儀器的電源和放置的地方分開，如計量型原子力顯微鏡就分開由二台電腦來

操作，因而造成使用上的不方便和操作無法同步。

在改建的具追溯三維 SPM 中我們將粗動位移台、PZT 微動台、馬達控制器、雷射干涉儀

等全部儀器整合在同一台操作電腦上，在組裝過程中，發現只要開啟粗動控制的伺服馬

達，雷射干涉儀的訊號就會受影響而無法讀取，同仁花了 1-2 月的時間，用了各種隔離

方法，現在己解決了 90 %的問題，目前只有利用 USB 傳輸的時候，只能保持 30 分鐘不

受干擾，這是將來仍需再努力的地方。

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【待改善之處】

角度原級標準：

本計畫原設計採用兩層同軸的光學編碼器和兩層的馬達控制來作角度原級標準，但無廠

商願意接受委託製作，最後更改設計為採用二個分離的角度定位儀，其中一個採用高精

度的角度轉盤，再搭配多邊規和自動視儀作 Cross calibration，另外再研製一台小角

度干涉儀，以滿足原計畫目標。而精密角度定位轉台於 93.3.31 提出購案(量測範圍

0.1＂~360 °，解析度 0.05 ＂)。二次流標後，變更請購異動，控制器(工業級電腦)改

由國內購買，6/1 直接與 Aerotech 原廠議價，6 月初完成精密角度定位儀採購案議價，

直接向 Aerotech 公司原廠採購。

所購之角度定位系統於 10 下旬送抵中心，進行系統之測試驗收，因定位精度無法達到

預定規格，驗收時發現有一個約 35＂的固定定偏移誤差，從原廠來的組裝測試工程師亦

無法解決而無法驗收，經討論後決定送回原廠重測及排除故障，11 月 10 日送回美國原

廠，11 月 24 收到原廠通知，是雜訊隔離線有問題已更換解決，並於 12 月 1 日運抵台灣

海關，12 月 24 日完成驗收測試後，即依設計組合精密角度定位儀、多邊規、自動視準

儀等在同一個花崗岩平台台，組成 Cross calibration 的角度標準系統，並於 12 月 31

日完成初步測試。

上述的高精度角度標準，我們雖有設計能力，但苦於無法找到適當的製造廠願意承製，

類似這種情形在各國的標準實驗室都曾出現過，現在國內外的精密加工能力都相當高，

如我們在建立設計技術時，能同時培植精密組裝技術，應能自行解決上述的問題。

【後續工作構想及重點】

1.具追溯三維 SPM:

FY94 將繼續進行組裝完成後的性能測試，操作及控制程式撰寫，和用在一維線距、

二維線距、和階高量測的軟體撰寫和系統評估。

2.光學式奈米階高:

FY93 已完成用自動視準儀和光纖干測儀測試垂直位移台的直線度和電容位移計的線

性度，FY94 將繼續進行 30 nm-100 µm 的階高校正的系統評估。

3.軟體測試:

FY93 已完成預訂計畫中表粗 Ra 及 Rz 一部份的軟體測試，其中商用軟體在濾波部份

有較大的差異，已和提供者討論過，供應商告知新版已解決此問題，FY94 擬對新版

軟體繼續進行測試，另外也將對奈米粒徑量測用的軟體執行軟體測試規劃。

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4.角度原級標準:

本計畫原設計採用兩層的光學編碼器和兩層的馬達控制來作角度原級標準，但無廠

商願意接受委託，最後更改設計為採用二個分離的角度定位儀，其中一個採用高精

度的角度轉盤，再搭配多邊規和自動視儀作 Cross calibration，明年將再研製一台

小角度干涉儀可以校正自動視準儀，以滿足在 0.5＂-360∘量測範圍內達量測不確定

度 0.1＂的原計畫目標。

5.奈米粒徑標準:

FY93 已完成新購動態光散射粒徑量測儀的測試和量測不確定度評估模式的建立，

FY94 將繼續進行校正程序撰寫和系統評估。

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二、奈米元件機械性質量測分項計畫

本計畫於本年度預定的目標為

（1）建立垂直式微施力裝置力量校正系統：

測試力量：0.1 mN ~ 1 μN

（2）建立奈米壓痕系統：

測試力量理論解析度：50 nN

（3）奈米尺寸薄膜性質數值模擬：

thickness: 50~100nm

（4）超音波激發技術研發

建立 ps 級的脈衝雷射作為超音波激發源

綜合成果如下所述：

（一）建立垂直式微施力裝置力量校正系統：

本工作項目的重點是研究微牛頓等級的施力標準，測試力量範圍涵蓋 0.1 mN ~ 1

μN，利用經法碼校正過的精密天平作為量測工具，量測壓阻式探針受力時的電阻變

化，電阻變化使用 NewFocus 8732量測，本實驗中的探針是採用商用 SPM 的探針，

本實驗量測結果顯示，在施力範圍小於 0.1

mN 以下時壓阻式探針具有極佳的線性，很

適合作為施力傳遞標準。

（二）建立奈米壓痕系統：

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建立原級奈米壓痕測試系統是奈米機

械性質計畫年度的重要工作項目之

一，工作內容包含規格設立，各項功能

驗收等本測試系統施力範圍為 1 μN～

10 mN，理論解析度小於 5 nN，測深最

大為 5μm，解析度達 0.03 nm，實驗中

使用雷射干涉儀校正位移感測元件，並

利用精密天平校正施力傳感元件。

（三）奈米尺寸薄膜性質數值模擬：

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0kxH (Non-dimensional Frequency)

2050

2150

2250

2350

Phas

e V

elci

ty (m

/s)

Shear velocity (Cu)

Rayleigh velocity (Cu)

本研究以六階矩陣波傳理論架構，來分

析異向性層狀介質表面波波傳行為。利用異

向彈性力學理論推導波動方程式，及均質層

狀介質之特性，推導出一有系統的六階矩陣

波傳計算方法，配合不同薄層或半無限域之

邊界條件，解決一般等向及異向性材料層狀

介質的波傳問題。其次利用此計算法及程式

運算，探討穩態彈性波在半無限域、層狀半

無限域、薄板及多層介質中之波傳行為。

圖 以鋁(Al)為表層銅(Cu)為底層半無限域Rayleigh模態頻散關係

（四）超音波激發技術研發：

建立脈衝寬度小於150 ps的脈衝雷射作為超音波激發源，脈衝能量在不可見光波

段1064 nm達150 mJ，在可見光波段532 nm達70 mJ。本雷射系統由於能量很高，

無論直射或散射都具有危險，本實驗建立標準操作程序以建立安全操作環境，另

一方面，利用接觸式超音波探頭偵測超音波訊號。

【技術創新】

建立原級奈米壓痕量測系統，分別針對位移感測、力量感測、壓頭面積函數、零點、

熱漂移等分別評估不確定度，特別在力量感測元件校正方面，我們揚棄原廠利用法碼

校正的方法，改採用精密天平直接量測，所測得的結果更貼近樣本真實的受力情形，

另一方面，我們在壓頭面積函數量測上與世界先進國家實驗室同步，利用SPM直接掃瞄

壓頭幾何形狀，摒除材料差異性引入的量測誤差。

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【突破之瓶頸】

在力量感測器校正方面，傳統校正方法是採用懸掛

法碼來量測感測器的彈簧常數，本計畫採用經校正

的電子天平直接測試，這種測試結果最能反映受測

樣本實際的受力情形。另一方面，針對壓頭面積函

數評估，本計畫率先引進國外先進國家實驗室的方

法，使用SPM直接量測壓頭的幾何形貌，如此可以避

免材料偏差所引入的誤差。 SPM 掃描壓頭形貌

【待改善之處】

應建立更系統化的標準程序，以利於將來常態性的系統查驗之用。

【後續工作構想及重點】

在原級奈米壓痕系統建構完成後，可以進一步研究傳遞用標準參考材料的物理特性，

另一方面可以投入應用領域，協助國內業界的測試需求。

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三、微流量測標準分項計畫

【本年度目標】