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周苡嘉:成功機率再小 也不放棄任何機會!

周苡嘉:成功機率再小 也不放棄任何機會!

楊卓翰

教育

攝影/林煒凱

893期

2014-01-30 13:21

她是嘉義來的女孩,去年才滿30歲。不過,她的學術成就已在全球立於不敗之地,突破半導體技術的壁壘,對摩爾定律產生影響。她是怎麼樣讓全世界刮目相看?

她,二十二歲,大學剛畢業,就拿到加州大學洛杉磯分校(UCLA)博士班全額獎學金。二十七歲,她就成為IBM華生研究中心的計畫主持人,領導瑞典、美國團隊,登上全球最頂尖的科學期刊《Science》,震撼學界。

她叫周苡嘉,去年才滿三十歲。她說起話來意外地單純,渾身散發出一股透明清新,與她的驚人成就不符。她來自於嘉義的小康家庭,雖然長年旅居美國加州、紐約,但她毫不世故,仍然親切,也能聽出來她中文口音中淡淡的鄉音。

周苡嘉現在是交通大學電子工程系專任助理教授,和學生站在一起就像學姊;但她已是學界很有分量的女科學家。她的研究,足以加速摩爾定律,把全球半導體技術推往下一個世代。

只有研究結果對於人類科學發展有重大突破,才有資格登上這本由美國發明大王愛迪生在一八八○年出資創辦的《Science》期刊。台灣史上只有二篇半導體的論文登上這本期刊,第一篇來自清大材料系的團隊;而第二篇,就出自周苡嘉率領的國際團隊,後製分析階段,更是她一人獨力完成。


突破!
張忠謀傷腦筋的問題 她找出了答案


深夜十一點,周苡嘉自己一個人在交大基礎大樓地下室的實驗室盯著顯微鏡頭,白天忙著授課的她,只有深夜時段,才有時間繼續研究。在隔音防震室裡,寂靜無聲,她獨自解讀著像天書一樣的資料,歷時一年半,才有現在的成果。

這篇論文的難度之高,最初研究的IBM實驗室一度認為「不可能找到解答」,想要將它草草結束。若不是周苡嘉帶著她獨有的堅持,忍受孤獨走下去,這項研究結果可能就石沉大海,而摩爾定律更不可能翻新。

摩爾定律預言,晶片的效能每隔兩年就會增加一倍,也就是晶體和線路等元件的尺寸每兩年就會縮小一倍;但是,在這個微縮戰爭中,摩爾定律越來越難維持,開始受到挑戰。因為,以既有的傳統技術,已經無法再製造更小的晶片了。

全球最大的晶片製造公司台積電董事長張忠謀,就曾預言摩爾定律將走到極限。在二十八奈米時代,傳統的微影技術還堪用;但是未來晶片線寬將縮小到十奈米,現有技術就會受到限制。

傳統手法,是把線路圖投影到矽晶上;而現在科學家開始嘗試在新材料上,用「自組裝」方式製作電路,也就是透過化學反應沉積,像種菜一樣,讓晶片自己「長」出規畫好的電路。

種菜要注意天氣、溼度、水分等,「種晶」也是一樣,要控制氣壓、真空度、反應氣體等條件。但是,過去從來沒有人知道要怎麼控制新材料的生長環境。因為,科學家得用數百萬倍解析度的電子顯微鏡做實驗,還要控制到奈米等級的變數,全世界沒有幾家實驗室做得出來。更難的是,沒有人有能力分析。

直到周苡嘉坐上顯微鏡機台,這個困住全世界科技的枷鎖,才冒出一線希望。在她歷時長達三年半的實驗和分析後,周苡嘉發現了完美的條件,原本十分鐘才能長出○.三奈米的晶體,現在只要三十秒就可長到。除此之外,她還發現了過去沒有發現的變數,在原子等級的大小控制住成長方向。

 

立志!
高中就想當科學家 拚到UCLA獎學金


周苡嘉憑藉的,除了成就每位科學家的好奇心,就是從小到大對枝微末節的堅持不懈。

在嘉義長大的周苡嘉,父親是嘉義大學的行政人員,母親之前在女裝店當裁縫師。這是一個極普通的家庭,但是周苡嘉和其他愛玩的同學不一樣,她喜歡念書。「在大業國中時,我就會找同學下課一起讀書,在其他同學眼裡,就像怪咖一樣。」周苡嘉接受《今周刊》專訪時說。不像一般女生喜歡讀小說,周苡嘉從小就喜歡科學。成績好的她,以資優保送嘉義女中資優班,成績在全校都是名列前茅。

單純的她,在高三時參加了吳健雄科學營,從此定下了一生的志向。「我那時就想要當像吳健雄一樣的女科學家!」她笑著說,能夠大聲說出小時候的志願,而不覺愧對自己,周苡嘉顯然得意。吳健雄是著名的美籍華裔物理學家,被稱為「中國的居理夫人」,以在核能的研究著稱。當其他女生迷歌手、電影明星時,周苡嘉的偶像就是女科學家。因此,她放棄高中導師建議的第三類組,考上清大。

想要在科學學術界發展的周苡嘉,在清大畢業後,有兩種選擇:在國內先念碩士,或是直接申請博士。周苡嘉在清大師長的鼓勵下,抱著「申請看看」的心態,自己寫自傳和讀書計畫給UCLA。結果,南加大給她全額獎學金。出國念書,從頭到尾,周苡嘉只向家裡拿了幾千美元,作為前幾個月的生活費,之後就沒有向家裡拿過錢,就這樣獨立地踏上了科學之路。

在UCLA,周苡嘉的指導教授是杜經寧。杜經寧是半導體界著名的學者,台灣史上第一篇《Science》的半導體論文,就是出自他的指導。杜經寧可說是改變周苡嘉一生的恩師,她記得杜經寧的一句話,就是告誡她,一位學者一生中,能完成的研究很有限,因此,「他要我不能放棄任何一個機會,就算成功的機率很小、花的時間很長。」她回憶。

 

周苡嘉(右)以大學生的身分申請到UCLA全額獎學金,是她科學 生涯的關鍵。(圖中為杜經寧,左為周父)

周苡嘉(右)以大學生的身分申請到UCLA全額獎學金,是她科學生涯的關鍵。(圖中為杜經寧,左為周父)

 

就是這篇論文,讓周苡嘉在半導體發展上,名留青史。

就是這篇論文,讓周苡嘉在半導體發展上,名留青史。


專注!
對什麼都好奇 實驗一做就是十二小時


大學畢業生的周苡嘉,為了跟上博士班進度,非常辛苦。但是她做實驗,一次就可以坐十二、三小時不動,盯著畫面,讓杜經寧刮目相看。周苡嘉靠的,不是什麼驚人的定力,而是很簡單的「好奇心」。

「我迫不及待地,想要知道下一秒會發生什麼事。」每一刻鐘發生的事情,她都捕捉到眼裡,不放棄任何一個小機會。有趣的是,她看電影兩個小時都坐不住,但在實驗桌旁,一坐就是十幾個小時,捨不得離開。這就是因為她對科學真相的好奇心。

周苡嘉只花了三年九個月,按照計畫拿到博士學位,就是因為周苡嘉這種超乎常人的堅持。攻讀博士期間,周苡嘉想要申請美國國家實驗室的研究計畫,而想和實驗室主任見到面,卻被祕書拒絕了好多次。

周苡嘉不放棄,每天都打一通電話,「結果,祕書終於受不了,給了我一個機會。」原來,主任每天都會從山下實驗室走到山上辦公室,有十五分鐘路程,祕書安排她陪主任走上山,對周苡嘉來說,一扇小小的窗已經足夠。為了這十五分鐘,她特別練習邊走邊講話,把要討論的主題演練一次。結果如何?她拿到了這個實驗計畫。

 

和學生年紀差不多的周苡嘉(中),像是學姊,而非教授。

和學生年紀差不多的周苡嘉(中),像是學姊,而非教授。


堅持!
一年半解讀數百萬張圖片 終於得到結果


南加大畢業後,周苡嘉進入羅絲(Frances M. Ross)管理的IBM華生實驗室。羅絲在半導體界也十分有名,而周苡嘉是她見過少數印象深刻的年輕科學家。「她一開始的確有些緊張,但是周苡嘉學習的速度很快,很快就跟上我們的團隊。」羅絲接受電話採訪時說,IBM實驗室鼓勵員工自主研究的文化,也讓周苡嘉成長迅速。「她在資料分析、數據化上非常拿手;原本混亂、複雜的原始圖像,她可以一張一張地整理、分析。」

當時,IBM實驗室正在與瑞典隆恩(Lung)大學合作三五族的晶線成長計畫。這是第一次有人用電子顯微鏡同步觀察成長情況。實驗從二○○五年開始進行,但是,因為實驗結果太過複雜,沒辦法解讀,長久以來都沒結果。一一年,羅絲便「死馬當活馬醫」,把實驗交給才來一年的周苡嘉,告訴她「沒有結果也沒關係」。「沒想到,周苡嘉不把『沒有結果』當成結果。」羅絲說。

周苡嘉發揮驚人的毅力,是整個計畫扭轉的關鍵。她研究IBM實驗室六年的實驗過程後,重新設計實驗參數,進行實驗。整個實驗過程大約有一百小時的晶線成長錄影,一秒鐘有三十張照片,也就是總共有接近一千萬張顯微鏡照片。

周苡嘉一張一張辨別成長過程,用○.一奈米為單位,將過程記錄下來。從她接手實驗後,在IBM實驗室花了一年多的時間,實驗還沒做完,她回到交大教書,還是不放棄這項實驗,把結果帶回台灣,「因為我記得杜老師的那句話,我也知道這項實驗成功,一定會有很大的影響。」她說。就是這樣,她用課餘的深夜時間繼續分析,獨自在地下室的實驗室長達一年半之後,才將成果發表。

「我們其實也曾想要放棄過。」羅絲說。「但是周苡嘉非常執著,她一定要有結果才罷休。這種個性,她怎麼不會成功?」羅絲相當佩服年紀小她一輪的這個台灣女生,私底下兩人也是忘年之交。

回到台灣教書的周苡嘉,雖然在實驗中執著、強硬、不退讓,但是面對學生蹺課嚴重的現象,她卻放得很開。一名周苡嘉的學生就說:「周教授對學生很大方,都把我們當成大人,讓我們自己探索。」周苡嘉也笑笑地說:「我尊重他們的時間安排。」她溫柔地看著路過的學生。不過,深夜一到,她就會收起笑容,帶上女科學家的驕傲,在原子的世界中漫步。

摩爾定律
由英特爾創始人之一戈登•摩爾提出。內容為:積體電路上可容納的電晶體數目,約每24個月增加一倍,預計18個月會將晶片的效能提高一倍(即更多的電晶體使其更快)。

「三五族」周苡嘉的突破性研究
一篇名為「Atomic-Scale Variability and Control of III-V Nanowire Growth Kinetics」的論文被登在1月17日的國際頂尖《Science》期刊上。周苡嘉是第一作者,解讀、撰寫都是出自她之手。

實驗內容為「三五族」奈米線的原子級自組裝(self-assembly)成長機制。傳統矽晶為元素表上的「四族」,但是效能有限,因此三五族化合物越來越受到重視。這篇論文觀察三五族在原子等級的結晶沉積成長過程,並成功控制了成長環境。

除此之外,論文還顛覆傳統看法,發現結晶結構也會影響成長方向,並非過去認為的隨機亂數成長。這是史上第一次發現結晶成長非亂數,而是人為控制,因此特別重要。

未來立體IC、自組裝電路的應用,都將以此發現為起點,做出新材料的應用及發想,對未來半導體發展的影響甚巨。晶片,可以因此做得更小、更省電。

周苡嘉
出生:1983年,台灣嘉義人
現職:交通大學電子工程系專任助理教授
學歷:清華大學材料系、南加大洛杉磯分校材料科學與工程學系博士
成就:加州大學年度論文獎、第四屆台積電傑出學生研究獎、美國電子顯微鏡協會後博士研究員獎、交大史上最年輕登上《Science》期刊的教授

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