李賀南 宋 微 楊思思 戴 磊

（吉林省科學(xué)技術(shù)信息研究所，吉林 長春 130033）

我國掃描電鏡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與預(yù)測研究

李賀南 宋 微 楊思思 戴 磊

（吉林省科學(xué)技術(shù)信息研究所，吉林 長春 130033）

長期以來，全球電鏡研發(fā)一直是美國、日本和德國三足鼎立，其中以日本日立公司、日本電子公司、美國FEI公司以及德國蔡司公司表現(xiàn)最為突出。而我國掃描電鏡主要依靠進(jìn)口，本文對韓國、日本、美國、德國等國家的產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行研究，結(jié)合我國實(shí)際情況，分析我國掃描電鏡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，并提出促進(jìn)我國掃描電鏡產(chǎn)業(yè)發(fā)展的對策建議。

掃描電鏡；趨勢；預(yù)測

1 引言

電子顯微鏡（簡稱電鏡）屬于尖端分析儀器，包括掃描電鏡和透射電鏡。隨著納米科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，電鏡作為重要的研究手段，市場需求也呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的態(tài)勢。然而長期以來，全球電鏡研發(fā)一直是美國、日本和德國三足鼎立，其中以日本日立公司、日本電子公司、美國FEI公司以及德國蔡司公司表現(xiàn)最為突出。其他國家（包括我國）在電鏡領(lǐng)域嚴(yán)重依賴進(jìn)口產(chǎn)品，不僅導(dǎo)致外匯大量流出，還因研究手段受限于國外電鏡產(chǎn)品而影響了本國的科研水平。十年前，韓國曾和世界許多國家一樣，主要依靠進(jìn)口來滿足國內(nèi)市場對電鏡的需要。但經(jīng)過近十多年的發(fā)展，韓國電鏡逐漸推出自主品牌，不僅使韓國本土市場擺脫了對進(jìn)口產(chǎn)品的依賴，還大舉進(jìn)軍國際市場，搶占市場份額。因此，深入了解并挖掘韓國電鏡成功背后的原因與經(jīng)驗(yàn)，對于我國發(fā)展電鏡事業(yè)具有重要的參考價(jià)值。

2 國外電鏡產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 德國

1926年，德國物理學(xué)家H·Busch指出：具有軸對稱的磁場可以對電子束起到透鏡的作用。這從理論上利用磁場作為電子透鏡，對電子束進(jìn)行匯聚和發(fā)散奠定了基礎(chǔ)。1932年，德國柏林工科大學(xué)高壓實(shí)驗(yàn)室的Max Knoll和Ernst Ruska根據(jù)這一理論，研制成功了第1臺(tái)實(shí)驗(yàn)室電子顯微鏡（透射式顯微鏡），這是后來透射式電子顯微鏡的雛形。1937年，柏林工業(yè)大學(xué)的Klaus和Mill排除了第1張細(xì)菌和膠體的照片，獲得了25nm的分辨率，從而使電鏡完成了超越光鏡性能的豐功偉績。掃描電鏡作為商品出現(xiàn)較晚，早在1935年，Kn-oll在設(shè)計(jì)透射電鏡的同時(shí)，就提出了掃描電鏡的原理及設(shè)計(jì)思想。1940年英國劍橋大學(xué)首次試制成功掃描電鏡。1975年，美國Ama?ry為了能夠控制加速電壓、放大倍數(shù)和磁透鏡焦距的關(guān)系，首次將微計(jì)算機(jī)技術(shù)引入SEM中，使得二次電子圖像分辨率達(dá)到6nm，至此，SEM進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代。80年代，波長分散譜儀（WDS）和能量散射譜儀（EDS）等分析裝置也被引入SEM儀器中，這在很大程度上拓展了SEM的功能和應(yīng)用價(jià)值［1］。

2.2 韓國

十年前，韓國曾和世界許多國家一樣，主要依靠進(jìn)口來滿足國內(nèi)市場對電鏡的需要。但經(jīng)過近十多年的發(fā)展，韓國電鏡逐漸推出自主品牌，不僅使韓國本土市場擺脫了對進(jìn)口產(chǎn)品的依賴，還大舉進(jìn)軍國際市場，搶占市場份額。

韓國電鏡生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新主要依靠國家科技政策的支持。1976-1993年，日本明石ISI公司在韓國馬山自由貿(mào)易區(qū)設(shè)立了掃描電鏡生產(chǎn)基地，先后建立了兩個(gè)工廠，年產(chǎn)量300臺(tái)，主要靠進(jìn)口零部件組裝生產(chǎn)。后日本撤資，韓國電鏡制造中斷。在這種情況下，韓國政府于2000年將電鏡作為納米科技國家支撐項(xiàng)目，韓國標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)研究院（KRISS）專門設(shè)立掃描電鏡的研發(fā)項(xiàng)目。

目前，韓國本土共有四家電鏡制造商參與中低檔電鏡市場競爭，包括世倫科技公司（SERON Technology）、酷塞目公司（COXEM）、賽可公司（SEC）和奔創(chuàng)（亞洲）科技有限公司（PEMTRON）。其中，世倫科技公司是韓國最早的電鏡生產(chǎn)企業(yè)。2003年在100%依賴進(jìn)口的國內(nèi)市場上，該公司與首爾大學(xué)合作首次推出國產(chǎn)掃描電鏡產(chǎn)品，并與海外進(jìn)口產(chǎn)品展開技術(shù)競爭。世倫科技公司在2014年完成了搭載60度圓錐掃描電鏡柱的高級常規(guī)掃描電鏡的量產(chǎn)化準(zhǔn)備工作。同時(shí)，開發(fā)出了具有國際競爭力的“Desk Top Mini SEM（桌面式迷你掃描電鏡）”，目前已經(jīng)開始了正式的銷售。與世倫科技公司相比，酷塞目公司可以算是后來居上。2015年美國波特蘭召開的世界最大規(guī)模的顯微鏡博覽會(huì)（Microscopy&Microanalysis）上，Coxem展出了旗下開發(fā)的第三代電子顯微鏡“EM-30 PLUS+”，這款桌面式電鏡在世界上首次實(shí)現(xiàn)了5nm分辨率，改變了原有對桌面式電鏡分辨率不高的認(rèn)識(shí)。自主創(chuàng)新不僅使韓國實(shí)現(xiàn)了掃描電鏡的國產(chǎn)化，也為韓國掃描電鏡產(chǎn)品搶占國內(nèi)外市場提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

2.3 美國

1942年，美國RCA實(shí)驗(yàn)室的Zworykinetal成功建造了第一臺(tái)可以檢測試樣的SEM，分辨率達(dá)到了1μm。1952年，Charles Oatley等制造的SEM分辨率已達(dá)到50nm，由此，商業(yè)領(lǐng)域開始重視SEM所具備的功能。1960年，Thomas E.Everhart和Richard F.M.Thornley改善了二次電子探測器，截至目前，E-T探測器依然是SEM二次電子探測器的主流探測器。1975年，美國Amary為了能夠控制加速電壓、放大倍數(shù)和磁透鏡焦距的關(guān)系，首次將微計(jì)算機(jī)技術(shù)引入SEM中，使得二次電子圖像分辨率達(dá)到6nm，至此，SEM進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代。80年代，波長分散譜儀（WDS）和能量散射譜儀（EDS）等分析裝置也被引入SEM儀器中，這在很大程度上拓展了SEM的功能和應(yīng)用價(jià)值。美國FEI是全球高端SEM生產(chǎn)廠商之一，其生產(chǎn)的超高分辨率Magellan XHR系列SEM是首臺(tái)電子能量從1keV到30keV范圍內(nèi)分辨率達(dá)到亞納米SEM，其電子束分辨率在電子能量為15keV時(shí)為0.8nm、5keV時(shí)為0.9nm、1keV時(shí)為1.2nm，電子槍的場發(fā)射燈絲其壽命長達(dá)12個(gè)月。

2.4 日本

日本二戰(zhàn)后在美國的支持下生產(chǎn)出掃描電鏡，Hita?chi是全球高端SEM生產(chǎn)廠商之一，2011年6月，Hitachi推出的冷陰極場發(fā)射超高分辨率SEM SU9000的二次電子分辨率更是達(dá)到0.4nm，其信號探測器可選二次電子探測器、TOP探測器、BF/DF雙STEM探測器，使SU9000的功能得到極大的擴(kuò)展。

3 我國發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

3.1 我國掃描電鏡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

1975年8月，中國科學(xué)院科學(xué)儀器廠自行研制我國第一臺(tái)掃描電子顯微鏡DX-3，分辨率為10nm，加速電壓5kV～30kV，放大倍數(shù)從20倍～10萬倍。1980年中國科學(xué)院科學(xué)儀器廠研制出DX-5型SEM，分辨率為6nm，放大倍數(shù)15倍～15萬倍連續(xù)可調(diào)，有多種信號處理功能，設(shè)計(jì)了五維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)。1988年，中科院北京科學(xué)儀器廠研制成功LaB6陰極電子槍，使KYKY-1000BSEM的分辨率提高到4nm。1999年，中國科學(xué)院北京科學(xué)儀器研制中心研制生產(chǎn)的全計(jì)算機(jī)控制SEM KYKY-3800［1］。

當(dāng)前，北京中科科儀公司是國內(nèi)主要的SEM生產(chǎn)商，其最新SEM產(chǎn)品是KYKY-EM3900，和國外的先進(jìn)SEM相比有較大的差距。目前我國只有中國科學(xué)院科學(xué)儀器廠和上海海邦機(jī)械設(shè)備制造有限公司在研制和生產(chǎn)掃描電子顯微鏡，主要是生產(chǎn)分辨率為3nm～5nm的中高檔熱發(fā)射的掃描電子顯微鏡，尚無法生產(chǎn)分辨率小于3nm的場發(fā)射SEM，目前我國各高校和研究所從事納米研究所需的高檔場發(fā)射掃描電子顯微鏡完全依靠進(jìn)口，因此自主研制高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡對于促進(jìn)我國材料學(xué)科的發(fā)展，打破國外壟斷具有重大意義［2］。

3.2 我國掃描電鏡產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

根據(jù)儀器行業(yè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，世界范圍內(nèi)分析儀器的市場增長率維持在每年10%-12%的水平，預(yù)計(jì)到2015年將形成約50億美元的巨大市場。在我國，分析儀器的更新?lián)Q代較之世界平均水平更為迅速，年增長率保持在20%～25%之間。未來五年內(nèi)我國對分析儀器的市場需求預(yù)計(jì)可達(dá)190多億人民幣。作為現(xiàn)代尖端分析儀器，電鏡及與其配套的能譜設(shè)備的市場需求量將大大增加，其上升幅度可達(dá)20%～50%。未來十年內(nèi)，我國用于購置進(jìn)口電鏡的費(fèi)用預(yù)計(jì)會(huì)超過10億人民幣。

我國目前能夠使用的各種電鏡大概3 500～4 000臺(tái)，其中掃描電鏡約2 500臺(tái)，其余的是透射電鏡?，F(xiàn)階段我國正在使用的電鏡中大約有3 000臺(tái)是出自日本日立、日本電子、美國FEI這三家公司。與此同時(shí)，捷克Tes?can公司、英國Camscan公司也注意到我國巨大的電鏡市場，逐漸進(jìn)入我國市場。最近十年，我國從國外進(jìn)口的電鏡臺(tái)數(shù)每年以大約超過100臺(tái)的數(shù)量在增長。從電鏡市場占有率來看，國產(chǎn)電鏡產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)處于外國電鏡品牌之后［3］。

以我國目前的技術(shù)實(shí)力是完全能夠制造出中低端電鏡的（包括透射電鏡和掃描電鏡），但是由于我國工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，研發(fā)投入不足，制造出來的電鏡在穩(wěn)定性和可靠性方面與進(jìn)口電子顯微鏡相比還有不小差距。加上我國還沒有形成完整的電鏡產(chǎn)業(yè)鏈，一臺(tái)電鏡從頭到腳都要靠一個(gè)廠家獨(dú)自完成，這也是發(fā)展國產(chǎn)電鏡的瓶頸所在。同時(shí)，國外電鏡大舉進(jìn)入中國市場，這些因素導(dǎo)致我國電鏡產(chǎn)業(yè)和國外的差距越來越大。

4 我國掃描電鏡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展策略與建議

4.1 十年樹木，百年樹人，人才的培養(yǎng)必須走在前面

儀器研發(fā)人才的培養(yǎng)需要持續(xù)、大量的投入，儀器研發(fā)人才需要能夠靈活運(yùn)用多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，屬于復(fù)合型人才。要促進(jìn)掃描電鏡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，系統(tǒng)的培養(yǎng)人才必不可少。我國多年來十分重視研究系列人才的培養(yǎng)，但是工程系列人才的培養(yǎng)相對薄弱，因此，目前培養(yǎng)出的掃描電鏡研發(fā)人才十分有限。對于儀器研發(fā)這樣針對性、實(shí)用性都非常強(qiáng)的工作，工程系列人才的介入是非常必要的。另外，掃描電鏡儀器整機(jī)的研發(fā)涉及方方面面，不但要求研發(fā)人員具有極強(qiáng)的學(xué)科專業(yè)背景，更要具有整合各方面資源的能力，目前，我國急需這類人才。

4.2 對于電鏡這類重大科研設(shè)備的研制需要持續(xù)不斷投入才能見效

一臺(tái)合格的儀器需要經(jīng)過不斷的投入，經(jīng)歷不斷的試驗(yàn)與改進(jìn)才能成功。即使是儀器生產(chǎn)出來了，在應(yīng)用過程中，還有很多的工作需要做。我國在“十一五”規(guī)劃期間電鏡研發(fā)方面的投入是2 200萬，其實(shí)這個(gè)數(shù)目只相當(dāng)于進(jìn)口一臺(tái)高檔電鏡的價(jià)格?？v觀歷史，哪一項(xiàng)重大研發(fā)事業(yè)的成功，都需要大量的研發(fā)投入，以及長時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)積累。因此，想要促進(jìn)我國掃描電鏡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。政府應(yīng)該在研發(fā)投資、稅收及相關(guān)政策上給予國內(nèi)掃描電鏡持續(xù)的支持。積極促成企業(yè)與高校及科研院所之間的合作，利用多種渠道設(shè)立科技創(chuàng)新支持項(xiàng)目，鼓勵(lì)并支持企業(yè)實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新。通過政府人才引進(jìn)機(jī)制，幫助企業(yè)引進(jìn)并留住高技術(shù)人才。提高國內(nèi)電鏡企業(yè)的核心競爭力和應(yīng)對國際市場挑戰(zhàn)的能力。

4.3 結(jié)合自身情況確定市場定位與研發(fā)目標(biāo)

國外品牌在技術(shù)上占據(jù)著絕對的優(yōu)勢，國內(nèi)市場，尤其是中、高端市場，仍然被國外品牌所壟斷。國內(nèi)企業(yè)又存在著營銷渠道單一、營銷力度不夠等問題。隨著市場需求的不斷擴(kuò)大，國內(nèi)掃描電鏡生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該及時(shí)做出調(diào)整。在技術(shù)水平較低的階段，可以效仿韓國公司，在中低檔電鏡領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)突破，搶占市場份額，然后逐漸發(fā)展國產(chǎn)高端電鏡產(chǎn)品。企業(yè)應(yīng)該評估自身的實(shí)際情況，確定與國外廠商的差異在哪里，根據(jù)自身的情況，確定市場定位及合理的價(jià)格區(qū)間。既不會(huì)因?yàn)閮r(jià)格過高而流失客戶、影響市場份額，又不會(huì)因?yàn)閮r(jià)格過低而影響企業(yè)收益。

針對我國的現(xiàn)實(shí)情況和電鏡的研發(fā)難度，當(dāng)前我國企業(yè)應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展中低檔電鏡，夯實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)提倡科研院所在基礎(chǔ)科研領(lǐng)域發(fā)展中高檔電鏡，取得一定成果的同時(shí)鼓勵(lì)企業(yè)進(jìn)入共同開發(fā)。不論多么困難，我國的電鏡產(chǎn)業(yè)一定要堅(jiān)持做下去，像電鏡這樣的大型儀器，既要有資金的支持，又要有先進(jìn)的管理措施，系統(tǒng)地整合各方面的資源才能夠?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)化。

［1］吳立新、陳方玉.現(xiàn)代掃描電鏡的發(fā)展及其在材料科學(xué)中的應(yīng)用［J］.武鋼技術(shù)，2005（6）.

［2］朱琳.掃描電子顯微鏡及其在材料科學(xué)中的應(yīng)用［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（2）.

［3］盧祁.振興我國電鏡產(chǎn)業(yè)勢在必行［J］.中國儀器儀表，2009（10）：25-27.

Development and Prediction Research of SEM in China

Li Henan Song Wei Yang Si si Dai Lei
(Jilin Institute of Scientific and Technical Information，Changchun Jilin 130033)

For a long time,the global electron microscopy research and development has been led by the United States,Japan and Germany together,especiallyJapan's Hitachi,Japanese Electronics Company,FEI in the United States and German Zeiss show outstandingperformance.Thescanning electron microscopy(SEM)in our country mainly depends on import.In this paper,the industrial development experience of South Korea,Ja?pan,the United States,Germany and other countries are studied,combined with the actual situation in our coun?try,the development trend of SEM industry in China is analyzed,and countermeasures and suggestions to pro?mote the development of SEM industry in China are put forward.

Scanning Electron Microscopy(SEM)；Trend；Predict

F274

A

1671-0037（2016）09-38-3

2016-8-25

李賀南（1973-），男，副研究員，研究方向：科技政策及戰(zhàn)略研究。