我国扫描电镜产业的发展与预测研究

李贺南 宋 微 杨思思 戴 磊

（吉林省科学技术信息研究所，吉林 长春 130033）

我国扫描电镜产业的发展与预测研究

李贺南 宋 微 杨思思 戴 磊

（吉林省科学技术信息研究所，吉林 长春 130033）

长期以来，全球电镜研发一直是美国、日本和德国三足鼎立，其中以日本日立公司、日本电子公司、美国FEI公司以及德国蔡司公司表现最为突出。而我国扫描电镜主要依靠进口，本文对韩国、日本、美国、德国等国家的产业发展经验进行研究，结合我国实际情况，分析我国扫描电镜产业的发展趋势，并提出促进我国扫描电镜产业发展的对策建议。

扫描电镜；趋势；预测

1 引言

电子显微镜（简称电镜）属于尖端分析仪器，包括扫描电镜和透射电镜。随着纳米科学、材料科学、生命科学等领域的快速发展，电镜作为重要的研究手段，市场需求也呈现稳步增长的态势。然而长期以来，全球电镜研发一直是美国、日本和德国三足鼎立，其中以日本日立公司、日本电子公司、美国FEI公司以及德国蔡司公司表现最为突出。其他国家（包括我国）在电镜领域严重依赖进口产品，不仅导致外汇大量流出，还因研究手段受限于国外电镜产品而影响了本国的科研水平。十年前，韩国曾和世界许多国家一样，主要依靠进口来满足国内市场对电镜的需要。但经过近十多年的发展，韩国电镜逐渐推出自主品牌，不仅使韩国本土市场摆脱了对进口产品的依赖，还大举进军国际市场，抢占市场份额。因此，深入了解并挖掘韩国电镜成功背后的原因与经验，对于我国发展电镜事业具有重要的参考价值。

2 国外电镜产业发展现状

2.1 德国

1926年，德国物理学家H·Busch指出：具有轴对称的磁场可以对电子束起到透镜的作用。这从理论上利用磁场作为电子透镜，对电子束进行汇聚和发散奠定了基础。1932年，德国柏林工科大学高压实验室的Max Knoll和Ernst Ruska根据这一理论，研制成功了第1台实验室电子显微镜（透射式显微镜），这是后来透射式电子显微镜的雏形。1937年，柏林工业大学的Klaus和Mill排除了第1张细菌和胶体的照片，获得了25nm的分辨率，从而使电镜完成了超越光镜性能的丰功伟绩。扫描电镜作为商品出现较晚，早在1935年，Kn-oll在设计透射电镜的同时，就提出了扫描电镜的原理及设计思想。1940年英国剑桥大学首次试制成功扫描电镜。1975年，美国Ama⁃ry为了能够控制加速电压、放大倍数和磁透镜焦距的关系，首次将微计算机技术引入SEM中，使得二次电子图像分辨率达到6nm，至此，SEM进入了数字化时代。80年代，波长分散谱仪（WDS）和能量散射谱仪（EDS）等分析装置也被引入SEM仪器中，这在很大程度上拓展了SEM的功能和应用价值［1］。

2.2 韩国

十年前，韩国曾和世界许多国家一样，主要依靠进口来满足国内市场对电镜的需要。但经过近十多年的发展，韩国电镜逐渐推出自主品牌，不仅使韩国本土市场摆脱了对进口产品的依赖，还大举进军国际市场，抢占市场份额。

韩国电镜生产企业实现自主创新主要依靠国家科技政策的支持。1976-1993年，日本明石ISI公司在韩国马山自由贸易区设立了扫描电镜生产基地，先后建立了两个工厂，年产量300台，主要靠进口零部件组装生产。后日本撤资，韩国电镜制造中断。在这种情况下，韩国政府于2000年将电镜作为纳米科技国家支撑项目，韩国标准与科学研究院（KRISS）专门设立扫描电镜的研发项目。

目前，韩国本土共有四家电镜制造商参与中低档电镜市场竞争，包括世伦科技公司（SERON Technology）、酷塞目公司（COXEM）、赛可公司（SEC）和奔创（亚洲）科技有限公司（PEMTRON）。其中，世伦科技公司是韩国最早的电镜生产企业。2003年在100%依赖进口的国内市场上，该公司与首尔大学合作首次推出国产扫描电镜产品，并与海外进口产品展开技术竞争。世伦科技公司在2014年完成了搭载60度圆锥扫描电镜柱的高级常规扫描电镜的量产化准备工作。同时，开发出了具有国际竞争力的“Desk Top Mini SEM（桌面式迷你扫描电镜）”，目前已经开始了正式的销售。与世伦科技公司相比，酷塞目公司可以算是后来居上。2015年美国波特兰召开的世界最大规模的显微镜博览会（Microscopy&Microanalysis）上，Coxem展出了旗下开发的第三代电子显微镜“EM-30 PLUS+”，这款桌面式电镜在世界上首次实现了5nm分辨率，改变了原有对桌面式电镜分辨率不高的认识。自主创新不仅使韩国实现了扫描电镜的国产化，也为韩国扫描电镜产品抢占国内外市场提供了坚实的技术保障。

2.3 美国

1942年，美国RCA实验室的Zworykinetal成功建造了第一台可以检测试样的SEM，分辨率达到了1μm。1952年，Charles Oatley等制造的SEM分辨率已达到50nm，由此，商业领域开始重视SEM所具备的功能。1960年，Thomas E.Everhart和Richard F.M.Thornley改善了二次电子探测器，截至目前，E-T探测器依然是SEM二次电子探测器的主流探测器。1975年，美国Amary为了能够控制加速电压、放大倍数和磁透镜焦距的关系，首次将微计算机技术引入SEM中，使得二次电子图像分辨率达到6nm，至此，SEM进入了数字化时代。80年代，波长分散谱仪（WDS）和能量散射谱仪（EDS）等分析装置也被引入SEM仪器中，这在很大程度上拓展了SEM的功能和应用价值。美国FEI是全球高端SEM生产厂商之一，其生产的超高分辨率Magellan XHR系列SEM是首台电子能量从1keV到30keV范围内分辨率达到亚纳米SEM，其电子束分辨率在电子能量为15keV时为0.8nm、5keV时为0.9nm、1keV时为1.2nm，电子枪的场发射灯丝其寿命长达12个月。

2.4 日本

日本二战后在美国的支持下生产出扫描电镜，Hita⁃chi是全球高端SEM生产厂商之一，2011年6月，Hitachi推出的冷阴极场发射超高分辨率SEM SU9000的二次电子分辨率更是达到0.4nm，其信号探测器可选二次电子探测器、TOP探测器、BF/DF双STEM探测器，使SU9000的功能得到极大的扩展。

3 我国发展现状及趋势

3.1 我国扫描电镜产业的发展现状

1975年8月，中国科学院科学仪器厂自行研制我国第一台扫描电子显微镜DX-3，分辨率为10nm，加速电压5kV～30kV，放大倍数从20倍～10万倍。1980年中国科学院科学仪器厂研制出DX-5型SEM，分辨率为6nm，放大倍数15倍～15万倍连续可调，有多种信号处理功能，设计了五维运动工作台。1988年，中科院北京科学仪器厂研制成功LaB6阴极电子枪，使KYKY-1000BSEM的分辨率提高到4nm。1999年，中国科学院北京科学仪器研制中心研制生产的全计算机控制SEM KYKY-3800［1］。

当前，北京中科科仪公司是国内主要的SEM生产商，其最新SEM产品是KYKY-EM3900，和国外的先进SEM相比有较大的差距。目前我国只有中国科学院科学仪器厂和上海海邦机械设备制造有限公司在研制和生产扫描电子显微镜，主要是生产分辨率为3nm～5nm的中高档热发射的扫描电子显微镜，尚无法生产分辨率小于3nm的场发射SEM，目前我国各高校和研究所从事纳米研究所需的高档场发射扫描电子显微镜完全依靠进口，因此自主研制高分辨率场发射扫描电子显微镜对于促进我国材料学科的发展，打破国外垄断具有重大意义［2］。

3.2 我国扫描电镜产业发展趋势

根据仪器行业的统计数据，世界范围内分析仪器的市场增长率维持在每年10%-12%的水平，预计到2015年将形成约50亿美元的巨大市场。在我国，分析仪器的更新换代较之世界平均水平更为迅速，年增长率保持在20%～25%之间。未来五年内我国对分析仪器的市场需求预计可达190多亿人民币。作为现代尖端分析仪器，电镜及与其配套的能谱设备的市场需求量将大大增加，其上升幅度可达20%～50%。未来十年内，我国用于购置进口电镜的费用预计会超过10亿人民币。

我国目前能够使用的各种电镜大概3 500～4 000台，其中扫描电镜约2 500台，其余的是透射电镜。现阶段我国正在使用的电镜中大约有3 000台是出自日本日立、日本电子、美国FEI这三家公司。与此同时，捷克Tes⁃can公司、英国Camscan公司也注意到我国巨大的电镜市场，逐渐进入我国市场。最近十年，我国从国外进口的电镜台数每年以大约超过100台的数量在增长。从电镜市场占有率来看，国产电镜产品远远处于外国电镜品牌之后［3］。

以我国目前的技术实力是完全能够制造出中低端电镜的（包括透射电镜和扫描电镜），但是由于我国工业基础薄弱，研发投入不足，制造出来的电镜在稳定性和可靠性方面与进口电子显微镜相比还有不小差距。加上我国还没有形成完整的电镜产业链，一台电镜从头到脚都要靠一个厂家独自完成，这也是发展国产电镜的瓶颈所在。同时，国外电镜大举进入中国市场，这些因素导致我国电镜产业和国外的差距越来越大。

4 我国扫描电镜产业的发展策略与建议

4.1 十年树木，百年树人，人才的培养必须走在前面

仪器研发人才的培养需要持续、大量的投入，仪器研发人才需要能够灵活运用多个学科的知识，属于复合型人才。要促进扫描电镜产业的发展，系统的培养人才必不可少。我国多年来十分重视研究系列人才的培养，但是工程系列人才的培养相对薄弱，因此，目前培养出的扫描电镜研发人才十分有限。对于仪器研发这样针对性、实用性都非常强的工作，工程系列人才的介入是非常必要的。另外，扫描电镜仪器整机的研发涉及方方面面，不但要求研发人员具有极强的学科专业背景，更要具有整合各方面资源的能力，目前，我国急需这类人才。

4.2 对于电镜这类重大科研设备的研制需要持续不断投入才能见效

一台合格的仪器需要经过不断的投入，经历不断的试验与改进才能成功。即使是仪器生产出来了，在应用过程中，还有很多的工作需要做。我国在“十一五”规划期间电镜研发方面的投入是2 200万，其实这个数目只相当于进口一台高档电镜的价格。纵观历史，哪一项重大研发事业的成功，都需要大量的研发投入，以及长时间的经验积累。因此，想要促进我国扫描电镜产业的发展。政府应该在研发投资、税收及相关政策上给予国内扫描电镜持续的支持。积极促成企业与高校及科研院所之间的合作，利用多种渠道设立科技创新支持项目，鼓励并支持企业实现自主创新。通过政府人才引进机制，帮助企业引进并留住高技术人才。提高国内电镜企业的核心竞争力和应对国际市场挑战的能力。

4.3 结合自身情况确定市场定位与研发目标

国外品牌在技术上占据着绝对的优势，国内市场，尤其是中、高端市场，仍然被国外品牌所垄断。国内企业又存在着营销渠道单一、营销力度不够等问题。随着市场需求的不断扩大，国内扫描电镜生产企业应该及时做出调整。在技术水平较低的阶段，可以效仿韩国公司，在中低档电镜领域率先实现突破，抢占市场份额，然后逐渐发展国产高端电镜产品。企业应该评估自身的实际情况，确定与国外厂商的差异在哪里，根据自身的情况，确定市场定位及合理的价格区间。既不会因为价格过高而流失客户、影响市场份额，又不会因为价格过低而影响企业收益。

针对我国的现实情况和电镜的研发难度，当前我国企业应该优先发展中低档电镜，夯实基础。同时提倡科研院所在基础科研领域发展中高档电镜，取得一定成果的同时鼓励企业进入共同开发。不论多么困难，我国的电镜产业一定要坚持做下去，像电镜这样的大型仪器，既要有资金的支持，又要有先进的管理措施，系统地整合各方面的资源才能够实现国产化。

［1］吴立新、陈方玉.现代扫描电镜的发展及其在材料科学中的应用［J］.武钢技术，2005（6）.

［2］朱琳.扫描电子显微镜及其在材料科学中的应用［J］.吉林化工学院学报，2007（2）.

［3］卢祁.振兴我国电镜产业势在必行［J］.中国仪器仪表，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

李贺南（1973-），男，副研究员，研究方向：科技政策及战略研究。