探针影量仪

探针台是一种很专业的仪器，它主要的功能就是针对半导体元件进行检测，这里面说的半导体元件指的是集成电路，分立器件，光电器件，传感器等元件以及封装的测试。通过探针台配合测量仪器可完成集成电路的电压，电流，电阻和电容电压特性曲线等参数检测。可以适用于对芯片进行科研分析，抽查检测等；可以保证这些半导体元件的质量，缩短研发时间和器件制作工艺的成本，所以，它的存在对于制造半导体的企业来说是非常重要的。随着半导体市场的逐步开放和增长，作为半导体检测的必备仪器—探针台的市场也在逐年增长和扩大中，不论是海外品牌还是国产品牌，近几年在半导体检测仪器市场中的规模都在逐年扩大。由于高校的管理模式及制度，探针台大多养在“深闺”，大量科研资源潜能没有得到充分发挥。为解决这个问题并加速释放科技创新的动能，中央及各级政府在近几年来制订颁布了关于科学仪器、科研数据等科技资源的共享与平台建设文件。2021年1月22日，科技部和财政部联合发布《科技部 财政部关于开展2021年度国家科技基础条件资源调查工作的通知（国科发基〔2020〕342号）》，全国众多高校和科研院所将各种科学仪器上传共享。其中，对探针台的统计分析或可一定程度反映科研领域相关仪器的市场信息（注：本文搜集信息来源于重大科研基础设施和大型科研仪器国家网络管理平台，部分仪器品牌信息不全则根据型号等信息补全，不完全统计分析仅供读者参考）。不同地区（省/市）仪器分布情况本次统计，共涉及探针台的总数量为235台，涉及20省（直辖市/自治区），84家单位。其中，上海市共享磁测量仪器数量最多达63台，占比29%，涉及17所高校、研究院所和企事业单位等，上海如此高的占比主要是由于其集成电路等半导体产业发达。上海市探针台主要来自于上海华岭集成电路技术股份有限公司，共有25台，占上海市总共享探针台的11%。仪器所属学科领域分布从仪器所属学科领域分布可以看出，探针台主要用于电子与通信技术、物理学和材料科学研究，占比分别为32%、17%和14%。不过，信息科学与系统科学和信息与系统科学相关工程与技术两个学科重合度较高，合计占比达16%，比材料科学略高。需要注意的是，以上统计存在交叉分布的情况，即该仪器同时属于多类学科领域。仪器所属单位性质分布那么这些仪器主要分布在哪些单位呢？统计结果表明，共享探针台主要分布于高校中，占比达60%，这一结果主要是因为共享仪器平台的仪器由高校上传所致，统计结果并不能体现出此类仪器的市场分布。不过共享仪器最多的确实企业中的上海华岭集成电路。而高校和科研院所共享数量TOP5分别为清华大学、苏州大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、东南大学、北京大学，这些高校院所都具有集成电路研发的基础。探针台主要品牌分布探针台品牌所属地区分布这些探针台主要品牌为美国Cascade、美国Lake Shore和日本东京精密，占比分别为28%、23%和16%。Cascade是全球领先的的探测系统、探针、探测器等产品的设计生产商，公司成立于1983年，总部设在美国俄勒冈州西北部城镇，为全球晶圆级测试的销售、服务和应用而存在，自主拥有150多项专利技术。Lake Shore公司成立于1968年，位于美国俄亥俄州哥伦布市，是低温与磁场科研设备的国际领导者。主要产品包括：振动样品磁强计、低温真空探针台、霍尔效应测量系统、低温控温仪、低温传感器、高斯计、磁通计等。可以看出，目前我国高校院所的探针台仍以进口为主，大部分市场被美日产品垄断，进口产品占比超过90%。此外，在统计过程中，笔者发现探针台常与半导体参数测量仪搭配联用，而搭配的半导体参数测量仪主要是美国Keithley的4200-SCS型号的产品。这是美国泰克旗下的吉时利品牌的一款产品。不过目前该型号已下架，最新款是4200A-SCS型号，4200A-SCS 参数分析仪支持许多手动和半自动晶片探测器和低温控制器，包括 MPI、Cascade MicroTech、Lucas Labs/Signatone、MicroManipulator、Wentworth Laboratories、LakeShore Model 336 低温控制器。Keithley 4200A-SCS 参数分析仪本次共享探针台仪器盘点，涉及等Cascade、Lake Shore、东京精密、MPI、Janis、SUSS、东京电子、奕叶、Signatone、ARS、FORMFACTOR、MPI等三十多家厂商，呈现出三超多强局面。探针台高校院所市场将爆发随着集成电路产业的爆发式发展，2018 年开始，将集成电路设置成一级学科的提案开始出现。2018 年中国科学院院士王阳元在新时期中国集成电路产业论坛中提议，微电子学科提升为一级学科。学术界和产业界对集成电路成为一级学科异常关注。2019 年 10 月 8 日，工信部官网发布《关于政协十三届全国委员会第二次会议第 2282 号（公交邮电类 256 号）提案答复的函》中表示，工信部与教育部等部门将进一步加强人才队伍建设，推进设立集成电路一级学科，进一步做实做强示范性微电子学院。去年12月30日，国务院学位委员会、教育部正式下发关于设置“集成电路科学与工程”一级学科的通知。过去一年来，北京航空航天大学、安徽大学、广东工业大学、中山大学、清华大学等国内多所高校均成立集成电路相关学院。随着集成电路学院的纷纷成立，高校院所对半导体相关仪器设备需求将剧增，探针台作为半导体检测的重要仪器，相关市场将爆发。

近日，中科院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室于聪课题组系统考察了平面芳环有机小分子探针的荧光特性及其与生物大分子间的相互作用，并利用对探针自组装体的集聚-解集聚平衡的精细调控，发展了一种高选择性、灵敏、方便的蛋白质生物分析新方法。相关研究成果发表在国际著名化学期刊《德国应用化学》（王斌、于聪：Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1485–1488）上。 　　蛋白质的灵敏检测在基础研究、环境分析和医学诊断等领域起着重要的作用。利用抗原-抗体检测蛋白质具有很好的灵敏性和特异性，是应用最多的方法。核酸适配体是通过SELEX（指数富集的配体系统进化）过程进行体外筛选得到的寡核苷酸。与抗体类似，核酸适配体也可以与目标分子特异性地结合。利用适配体建立新的分析检测方法是近年来生物及化学领域的研究热点之一。其相对于抗原-抗体检测法有许多优势：核酸适配体可以通过化学方法体外合成，且费用低廉；可以识别更多的目标物；可以很容易地标记；具有较高的稳定性，适于长时间保存。 　　研究人员合成了具有独特的可p-p紧密堆积的荧光生色团的阳离子二萘嵌苯衍生物，并利用核酸适配体可以诱导探针分子集聚导致荧光猝灭的现象，及适配体与蛋白质间的特异性相互作用对探针自组装集聚的精细调控，构建了一种检测蛋白质的新方法。 　　长春应化所研究人员在小分子探针诱导自组装领域已取得系列研究成果，相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Chem. Commun., Organic Letters, Analyst等杂志上。 　　该工作得到了国家自然科学基金委、中科院长春应化所百人计划启动基金、长春应化所电分析化学国家重点实验室启动基金的支持。

近日，北京大学物理学院、轻元素先进材料研究中心江颖教授课题组与刘开辉教授课题组合作，自主研发了一台qPlus型光耦合扫描探针显微镜。该显微镜性能达到国际最好水平，其中原子力传感器振幅噪音和品质因子国际领先。相关技术细节发表在国际著名科学仪器杂志《科学仪器评论》（Review of Scientific Instruments）。相关专利技术已经成功实现转让，并完成了首台商业化样机。有望打破长期的国际垄断局面。图1. 自行研制的qPlus型光耦合扫描探针显微镜商业化样机由于技术受限和经验缺乏，我国的高端扫描探针显微镜多年来一直严重依赖进口。在这种被动的局面下，江颖课题组十多年来一直致力于研发扫描探针显微镜的核心部件以及高分辨成像和谱学技术，不断挑战扫描探针技术的探测极限。尤其是成功研发出一套具有自主知识产权的基于qPlus传感器的非侵扰式扫描探针显微术，该技术通过探测极其微弱的高阶静电力，刷新了扫描探针显微镜的空间分辨率，国际上首次实现了水分子中氢原子的直接成像，将水的微观实验研究带入一个全新的时代。图2. 自制qPlus型光耦合扫描探针显微镜的核心部件。A和B，光耦合扫描探头的三维设计图和实物图。C，qPlus原子力传感器。D，聚焦离子束刻蚀后的针尖。在关键技术获得突破的基础上，江颖课题组的程博伟博士、博士研究生吴达和边珂副研究员进一步与刘开辉课题组紧密合作，成功搭建了一台qPlus型光耦合扫描探针显微镜商业化样机（专利1）。该设备兼容超高真空和低温（液氦）环境，电路噪音背底低至5 fA/Hz1/2，针尖高度振动噪音峰小于200 fm/Hz1/2，热漂移小于0.1 pm/min，各项指标达到国际最好水平。同时，该设备的qPlus传感器具有极低的背底振幅噪音（~2 pm）和优异的品质因数（最高140000），达到国际领先水平。此外，该显微镜系统还具备独特性设计，其扫描探头上直接集成了可驱动光学透镜的三维纳米定位器（专利2），大幅提升了光激发与光收集效率，避免了激光聚焦光斑的微抖动问题，使得该显微镜兼备十分优异的光学兼容性，是研究多种分子和材料体系的结构、化学成分及动力学行为的理想工具。图3. 自制qPlus型光耦合扫描探针显微镜的原子力显微成像测试结果。A，qPlus力传感器频率扫描曲线。B和D，不同针尖高度下Au(111)表面二维冰的恒高原子力显微图像（频移图）。C，二维冰表面不同位置的力谱。E和F，二维冰的原子结构图。相关论文：Bowei Cheng, Da Wu, KeBian, Ye Tian, Chaoyu Guo, Kaihui Liu, Ying Jiang, A qPlus-based scanning probe microscope compatible with optical measurements. Review of Scientific Instruments 93, 043701 (2022).(https://doi.org/10.1063/5.0082369)相关专利：[1] 江颖、程博伟、边珂、吴达，一种基于qPlus的光耦合扫描探针显微镜，中国，202121333378.5，2021-09-03。[2] 江颖、程博伟、吴达、边珂，一种透镜三维移动装置，中国，202120697032.7，2021-05-07