臺灣自主研發(fā)科學儀器歷程及成績

李嫣 李旭豐

從進口到自制

儀器為科技發(fā)展之母。早年臺灣科技基礎條件落后，科學儀器幾乎完全依賴進口。在物資匱乏的上世紀60年代，申請動用稀缺的外匯購買昂貴的實驗用儀器，可以想象會有多難。史料記載，當時研究人員常常通宵達旦，排隊守候在某家擁有實驗儀器的研究所門外，就為了能夠獲得1小時借用儀器的時間。

1967年8月，吳大猷回臺就任臺灣科技主管部門負責人。作為長期從事實驗物理研究的科學家，他不僅深知儀器設備對于科研工作的重要性，而且通曉一般科學儀器的原理構造，抗戰(zhàn)時期他在西南聯(lián)合大學任教時，就曾在簡陋的條件下親手制作實驗儀器，從事原子結構及振動光譜的研究，不僅發(fā)表了多篇有世界影響的論文，而且培育出像楊振寧、李政道這樣的杰出物理學人才。

在吳大猷的提議下，1968年3月，臺灣科技主管部門成立科學資料儀器制造供應中心籌設小組。同年9月，在新竹地區(qū)清華大學紅樓（圖書館）及科儀館內(nèi)正式設立科學資料及科學儀器中心，集中從外國購置臺灣最緊缺的科技文獻資料和貴重儀器設備，然后免費向島內(nèi)學術界及企業(yè)開放，同時對外提供儀器修理及維護服務。

不久，他們接受島內(nèi)一些學校的委托，從自行研制教學用顯微鏡、真空計開始，逐漸嘗試制作簡單科學儀器。到1973年，該中心自建一座小型光學工場，用手工拋光方法研磨出一塊塊透鏡，共研制出十余種大學物理實驗設備（包括多種核能儀器）及電子教學示范儀器，還協(xié)助其他研究機構設計制作質譜儀、慣性導航系統(tǒng)、X光繞射儀、單射儀、中子活化分析設備、電磁振動儀、攝譜儀等特殊儀器設備。當時行政主管部門負責人蔣經(jīng)國親自前來視察，還召開島內(nèi)首次精密儀器發(fā)展座談會，指示建立全臺灣中小學教學儀器修護服務制度。

成立精密儀器發(fā)展中心

由于他們的產(chǎn)品逐漸供不應求，臺灣科技主管部門在1973年4月對該中心進行改組，把圖書資料部分剝離，成立獨立的精密儀器發(fā)展中心，并遷出清華大學，在臺北市南港區(qū)中研院內(nèi)自立門戶。此后，該中心進一步研發(fā)出多種工業(yè)上用重要儀器，如分析金屬材質用的光譜儀、切割材料用二氧化碳激光器、光學研究用氖氦激光器及精密示波器，還開始研發(fā)醫(yī)用儀器及600倍至1500倍電子顯微鏡等光學儀器。

到1980年，他們已建起島內(nèi)設備最齊全的實驗性光學研磨、光學鍍膜及精密機械加工車間，并設立光學標準室、激光實驗室與超高真空實驗室，開展繞射分光、光波干涉、激光長度測量系統(tǒng)及精密光學元器件等技術研發(fā)工作。1983年，臺當局將光電列為八大重點科技領域之一，科技主管部門撥出?？睿稍撝行呢撠煿怆娊M件發(fā)展計劃，先后研制出復通式高精度分光儀、光學精密定位干涉儀、摻釹釔鋁榴石激光器、激光精密測長儀、塞曼穩(wěn)頻激光器等。

隨著該中心發(fā)展規(guī)模越來越大，原有場地不夠使用，因此在1987年1月整體遷至新竹科學園區(qū)研發(fā)六路20號新址，除了開發(fā)生產(chǎn)顯微投影機、萬能投影機與縮影閱讀機等儀器外，還協(xié)助第一家外資光學儀器公司在新竹園區(qū)設廠，幫助培訓技術人員。

當時，新竹園區(qū)內(nèi)誕生許多半導體企業(yè)，由于集成電路制造設備很多技術都涉及真空與光學儀器，該中心具有實際工作經(jīng)驗的研究人員和工程師頓時炙手可熱，甚至整個部門直接被廠商挖走的新聞常常充斥報端。許多大企業(yè)所需關鍵人才都出自該中心，幾乎成了島內(nèi)各廠商的人才庫。

服務高科技產(chǎn)業(yè)

上世紀90年代，該中心的任務逐漸由支持學術界調(diào)整為服務高科技產(chǎn)業(yè)，包括承擔興建同步輻射中心首條光束線裝置、研制“中華一號”衛(wèi)星海洋水色照相儀酬載等任務，積極開發(fā)自主光電遙測技術能力，從機載系統(tǒng)開始，一一建立起光學組件設計、雜光分析、光學鏡頭制造、系統(tǒng)組裝測試、航空攝影及空中影像數(shù)據(jù)處理等各項技術，并自行完成一套與“福衛(wèi)二號”衛(wèi)星光電遙測酬載相同，具有4光譜波段的機載多光譜儀、植被及土地變遷觀測儀。

在該中心帶動下，臺灣精密儀器產(chǎn)業(yè)也開始發(fā)展壯大。到2004年，產(chǎn)值達到240億元新臺幣，范圍涵蓋電子測量、制程控制、光學理化分析、醫(yī)療及其他領域。據(jù)統(tǒng)計，當時精密儀器企業(yè)約有550家，從業(yè)人數(shù)約2萬人，營收約570多億元新臺幣，利潤約30億元。

2005年，任臺灣科技主管部門將精密儀器發(fā)展中心劃歸財團法人“國研院”，并更名為儀器科技研究中心，承擔為臺灣精密儀器產(chǎn)業(yè)打頭陣的角色。臺當局“第六次全臺科技會議”將微機電及精密機械列為“臺灣科學技術發(fā)展計劃”重點發(fā)展領域，臺灣經(jīng)濟主管部門制定了精密儀器產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展策略，希望借此建立自主性關鍵技術的能力，同時支持“兩兆雙星”等光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。臺灣科技主管部門則將該中心列入到“納米重點科技計劃”的核心設施建立與分享運用體系中，制定了“精密儀器發(fā)展中程綱要計劃”，推動其建設島內(nèi)儀器科技基礎平臺，以支持前瞻學術研究所需自行開發(fā)儀器設備服務，協(xié)助促成特色學術領域產(chǎn)生，提升臺灣在科學儀器及工業(yè)測量儀器技術方面的水準與產(chǎn)品層次，并建立研制衛(wèi)星遙測酬載系統(tǒng)及關鍵零組件的基礎技術能力。

在上述發(fā)展計劃的指引下，該中心通過技術引進和自主研發(fā)，攻克了一批能有效帶動和引領科學儀器行業(yè)發(fā)展的關鍵核心工藝技術和核心部件，掌握許多頗具特色的光電系統(tǒng)、真空技術及光機電系統(tǒng)整合等關鍵核心技術，研制開發(fā)出一批重大科學儀器設備，如非球面負形拋光系統(tǒng)、原子層沉積（ALD）系統(tǒng)、光學鍍膜監(jiān)控系統(tǒng)、納米球模板技術、高真空化學束磊晶系統(tǒng)、晶圓定位線上檢測儀、數(shù)字式流體晶芯片操控平臺、數(shù)字顯微相機及液晶面板背光模組輝度線上全檢儀等9種儀器系統(tǒng)。其中背光模組輝度線上全檢儀為全球首創(chuàng)，這種儀器可取代當時歐、美、日的離線檢測設備，其檢測速度比日本設備快30倍以上，推出后即促成島內(nèi)液晶面板業(yè)獲得2億元新臺幣以上的大筆訂單。

近年來，該中心先后研制出VCDi-660植被與土地變遷觀測儀、衛(wèi)星影像高光譜儀、30英寸BLU大型光源輝度與色度測量儀、視訊MTF檢測儀、自由基檢測儀與多功能生化檢測儀、12英寸原子層沉積系統(tǒng)、標準型脈沖激光沉積系統(tǒng)、CMOS光吸收微型分子生物檢測系統(tǒng)、光學透鏡偏心測量儀、智慧型光譜影像系統(tǒng)、顯微鏡自動對焦系統(tǒng)、“福衛(wèi)5號”衛(wèi)星主鏡等專業(yè)儀器設備。

經(jīng)過40多年發(fā)展，他們不僅打造出先進且扎實的儀器制造技術，而且成為臺灣島內(nèi)唯一具有研制太空等級光機電儀器的工程整合機構。該中心目前定位是建設儀器科技服務平臺、發(fā)展前瞻新穎儀器科技，主要任務是：提供前瞻學術研究所需要的儀器科技，促成科學上的新發(fā)展；支援產(chǎn)業(yè)所需的儀器系統(tǒng)和技術，協(xié)助產(chǎn)業(yè)技術升級，促進臺灣經(jīng)濟發(fā)展；培育儀器科技研發(fā)人才，推動儀器自制，提升臺灣儀器科技水平。

主要成績及發(fā)展方向

該中心研發(fā)方向主要集中在光機電整合、精密光機工程及真空與微結構等三大技術領域。光機電整合方面的研究方向有智能儀控設計與整合、先進光學組件研制與儀器系統(tǒng)的開發(fā)、光電遙測；精密光機工程主要研究方向有精密光機制造與檢測、非球面光學制作檢測、超精密自由曲面加工、大口徑航天級非球面鏡加工、天文觀測個性化儀器、曝光機光學系統(tǒng)；真空與微結構方面有先進鍍膜制程設備開發(fā)、光學薄膜鍍制與分析檢測技術、微結構制作工藝。

該中心下設先進光學組、光機電系統(tǒng)組、真空科技與納米制程組、精密光機工程組、生物醫(yī)學儀器技術組、遙測光電儀器發(fā)展組、產(chǎn)學研合作小組、技術服務組、環(huán)安衛(wèi)與能源小組等技術部門，約有工作人員160余人，其中研究與工程人員約占70%，技術人員占16%，擁有表面探針顯微系統(tǒng)、掃描式電子顯微鏡、表面輪廓儀、影像光譜儀觀測系統(tǒng)、聚焦離子束蝕刻系統(tǒng)、原子層沉積系統(tǒng)、離子束輔助濺鍍系統(tǒng)、微結構制程與檢測設備等核心設施，并建有遙測影像服務平臺、儀器技術整合服務平臺、嵌入式儀控技術服務平臺、光學設計實作服務平臺、微型生物醫(yī)學儀器開發(fā)服務平臺、真空制程與檢測技術服務平臺、儀器技術訓練服務平臺等，提供對外服務。2013年中心收入為4.13億元新臺幣，主要為政府補助款。

目前，該中心主要執(zhí)行臺灣科技主管部門制定的“儀器科技發(fā)展計劃”及“國研院”自己的整合型科技計劃，2013年研制成功400～700納米多波長近場光學訊號解調(diào)系統(tǒng)、顯微偏振光譜檢測技術平臺發(fā)展、快速RF射頻掃描顯微鏡驅動系統(tǒng)、“福衛(wèi)5號”衛(wèi)星遙測取像儀、強制流ALD系統(tǒng)及可攜式上皮組織取像儀。

他們在完成“福衛(wèi)5號”衛(wèi)星遙測系統(tǒng)所需三套主次鏡拋光（主鏡口徑466毫米，精度RMS10納米）后，其大口徑非球面拋光技術已擴展至半導體產(chǎn)業(yè)設備所需光學元件及系統(tǒng)制作。該中心技術團隊正在持續(xù)改進短波長用大口徑非球面制程與檢測技術，發(fā)展曝光設備所需高精度投影鏡頭，以建立半導體產(chǎn)業(yè)設備關鍵性替換元件本地化制作技術。另外還完成表面形狀誤差小于λ/10的6英寸i-Line 波段用球面透鏡，同時建立其制作標準作業(yè)流程，以及研發(fā)新型鏡片夾具，以解決傳統(tǒng)鏡片脫模變形問題。

該中心開發(fā)的等離子輔助原子層沉積技術具有薄膜成長溫度低、密度高、雜質少等優(yōu)點，適合生長高級低覆蓋率薄膜的制程系統(tǒng)，系半導體元件尺寸微小化所需的重要技術。其自主開發(fā)真空腔體、等離子源、前驅物管路與程序，并完成貴金屬釕與氮化鉭的制程驗證，以突破目前商用設備功能與制程參數(shù)設定的限制，提供島內(nèi)半導體廠商元件所需材料制程的研究開發(fā)。

可攜式上皮組織取像儀是該中心與高雄醫(yī)學大學附設中和紀念醫(yī)院合作研制而成，結合醫(yī)療與光電技術，以皮膚疾病為標的，利用405納米的紫外光波段光源照射，可穿透皮膚深度約3納米至皮膚基底層，使上皮組織病變部位一覽無遺，鏡頭前搭配一組自行開發(fā)的光譜均化透鏡，可拍攝皮膚癌組織的主要分布區(qū)域。此儀器可在光動力660納米波段光照治療前，準確定位癌癥病變。該儀器歷經(jīng)三年開發(fā)，現(xiàn)已獲得臺灣衛(wèi)生福利主管部門醫(yī)療器材銷售許可認證。

該中心最近還開發(fā)出一種輕量化無人直升機用4波段相機載臺系統(tǒng)，由兩臺高像素全畫幅數(shù)碼單反相機組成輕量影像酬載系統(tǒng)，使用單一長效鋰電池，可供拍攝800～1000張照片，航拍1～1.5個小時，系統(tǒng)機構僅重4.6千克，并具有自動垂直穩(wěn)定與抗震的機構設計，可減少影像晃動。在電子電路部分，RGB及NIR波段影像拍攝時間同步誤差小于1毫秒，單一相機存儲容量32GB（可擴充至64GB），搭配1200萬像素高解析度影像模組，可進行生活環(huán)境安全監(jiān)控與天然災害范圍評估、生態(tài)多樣化及變遷，以及本土原生物種保育監(jiān)測等特定用途。

在科技服務方面，該中心通過儀器技術服務平臺，2013年完成儀器技術服務1989件，接受與執(zhí)行產(chǎn)學研委托計劃合作項目73件，并成立“光學系統(tǒng)整合研發(fā)聯(lián)盟”，希望藉由中心研發(fā)平臺，與產(chǎn)學界共同攜手開發(fā)先期工程樣品，加速從科學創(chuàng)意、原理概念到樣品試量產(chǎn)的時間，以提升臺灣高端光學系統(tǒng)制造與銷售的競爭力。

為探討光學物質對于各種偏振狀態(tài)光束的響應特性，該中心成功建立了一套具有寬頻波段測量能力的顯微偏振光譜檢測技術平臺，通過整合商用顯微鏡以及光譜儀，搭配自制顯微光譜量測模組，可針對可見光到紅外波段光譜范圍（400～1700納米）進行樣品微觀光譜量測，具有偏振光狀態(tài)自動化檢測、偏振校正技術，以及超寬頻校正技術等技術特點，使用消色差物鏡，量測最小區(qū)域可達直徑5微米；光譜解析部分在紅光632納米波段，可小于2納米，在近紅光1300納米波段，可小于4納米；并可藉由量測模組切換亮場或暗場進行測量，應用領域包括液晶檢測、材料顯微光譜分析、超穎物質特性檢測，以及化學偏振光譜分析。

此外，該中心還與承擔衛(wèi)生科研的“國衛(wèi)院”及臺灣大學簽署合作備忘錄，在新竹生物醫(yī)學園區(qū)生醫(yī)研發(fā)中心共同建立“磁振造影系統(tǒng)研發(fā)及影像服務平臺”，合作提升島內(nèi)自行研發(fā)磁振造影系統(tǒng)與其相關元件技術，促進高端磁振造影應用，并針對島內(nèi)具潛力之腦連結體研究與認知精神臨床應用進行整合。最近又與新竹清大、交通大學、中央大學分別簽署育成聯(lián)盟合作協(xié)議，擴大運用大學創(chuàng)新育成中心的商務輔導能力與中心之核心技術能力與資源，培育研發(fā)成果產(chǎn)業(yè)化，吸引更多新創(chuàng)事業(yè)或研究團隊進駐育成中心，在研發(fā)與產(chǎn)學合作方面協(xié)助進駐的創(chuàng)業(yè)團隊。

該中心同時運用研發(fā)資源與能力，協(xié)助培育高級科研人才，2013年度培訓碩、博士研究生共126人次，并開辦儀器技術高科技人才培訓課程22班、科技講座13場，培訓1381人次。此外，舉辦i-ONE國際儀器創(chuàng)新獎競賽活動，提供教學參訪服務1593人次。截止到2013年，中心已經(jīng)獲得各國和地區(qū)授權專利量97件，并通過技術知識授權及學術界委托研究兩種方式進行技術轉讓。