机械设备实验分析仪器系列专题--扫描电镜：国产化加快的核心电镜品种

扫描电镜是一种用于高分辨率微区形貌分析的大型精密仪器，它可以利用聚焦很窄的高能电子束来扫描样品来观察物质微观形貌表征。扫描电镜按照电子枪种类可分为钨灯丝/六硼化镧灯丝/热场发射/冷场发射扫描电镜，其中场发射扫描电镜的分辨率、亮度等性能指标更为出色，但使用条件更为严苛、价格更为昂贵。产业链下游方面，我国的扫描电镜主要应用于主要用于纺织、化工、印染、仪器仪表、材料分析、教学科研等领域。 2020年我国扫描电镜市场规模达19.34亿元，进口依赖度高。 据SDI统计 ，2015-2020年全球电子显微镜市场规模分别为2108/2260/2413/2545/2689/2917百万美元。若以中国表面科学仪器市场规模占比作为电子显微镜市场规模占比进行估算，则可知2015-2020年中国电子显微镜市场规模分别为230/255/280/303/328/370百万美元。若以2022/12/1日美元兑人民币汇率换算，2020年我国电子显微镜市场规模约为26.13亿元。其中，扫描电子显微镜占比约为74%，因此其市场规模约为19.34亿元。化工仪器网对2021H2的国内扫描电镜中标情况进行了不完全统计，进口扫描电镜的中标金额为19875.8万元，国产扫描电镜的中标金额为866.5万，进口依赖度高。 国内扫描电镜技术加速升级，贴息政策下国产替代有望加速。纳克微束先后推出国产高分辨（HR）场发射扫描电镜“旗舰机型”——FE-1050系列与极高分辨（XHR）场发射扫描电子显微镜FE-2050X，其性能指标显示我国扫描电镜技术与国际先进技术的差距大幅减小。国仪量子亦于11月下旬推出了世界上首台分辨率达到2.5纳米的钨灯丝扫描电镜——SEM3300。2022年9月，国务院决定对部分领域设备更新改造贷款阶段性财政贴息和加大社会服务业信贷支持，总规模预估为1.7万亿。同月，财政部等五部门联合下发《关于加快部分领域设备更新改造贷款财政贴息工作的通知》，对2022/12/31前新增的10个领域设备更新改造贷款贴息2.5个百分点，期限2年，额度2000亿元以上，有望在中短期内刺激扫描电镜需求，加速国产替代节奏。 风险提示：疫情反复、政策变动等风险 1国内扫描电镜升级迭代，贴息政策下国产替代有望加速 1.1扫描电镜—表面科学仪器，主要应用于微区形貌分析 扫描电镜是一种用于高分辨率微区形貌分析的大型精密仪器，它可以利用聚焦很窄的高能电子束来扫描样品来观察物质微观形貌表征。具体而言，电子枪发射出的电子束经过聚焦后汇聚成点光源；点光源在加速电压下形成高能电子束； 高能电子束经由两个电磁透镜被聚焦成直径微小的光点，在透过最后一级带有扫描线圈的电磁透镜后，电子束以光栅状扫描的方式逐点轰击到样品表面，同时激发出不同深度的电子信号。此时，电子信号会被样品上方不同信号接收器的检测器接收，通过光电倍增管同步传送到电脑显示屏，形成实时成像记录并进行分析。 综合而言，扫描电镜具有景深大、分辨率高,成像直观、立体感强、放大倍数范围宽以及待测样品可在三维空间内进行旋转和倾斜等特点，目前已被广泛应用于生命科学、物理学、化学、司法、地球科学、材料学以及工业生产等领域的微观研究。 图表1：扫描电镜原理图（以次级电子作为电子信号举例） 市场有风险，投资需谨慎请务必阅读正文之后的免责条款部分 图表2：氮化硅扫描电镜成像图（半导体领域） 图表3：癌细胞扫描电镜成像图（生命科学领域） 扫描电镜按照电子枪种类可分为钨灯丝/六硼化镧灯丝/热场发射/冷场发射扫描电镜。电子枪的必要特性是亮度高、电子能量散布小，常用的电子枪有钨灯丝（热发射）、六硼化镧灯丝（热发射）、热场发射、冷场发射四种。场发射扫描电镜的分辨率、亮度等性能指标通常要优于热发射扫描电镜，但使用条件往往更为严苛、价格更为昂贵。 图表4：扫描电镜分类（按电子枪种类划分） 图表5：四类电子枪性能和参数对比 扫描电镜的核心性能指标为分辨率。对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离；对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域。扫描电镜的分辨率通过测定图像中两个颗粒（或区域）间的最小距离来确定的，在已知放大倍数的条件下，把在图像上测到的最小间距除以放大倍数所得数值即为分辨率。根据分辨率的不同，场发射扫描电镜可以分为极高分辨（XHR）、超高分辨（UHR）、高分辨（HR）、入门级（EL）这四个级别。 图表6：扫描电镜分类（按分辨率划分） 产业链下游方面，我国的扫描电镜主要应用于主要用于纺织、化工、印染、仪器仪表、材料分析、教学科研等许多领域。其中材料、化工领域是最大的应用市场，2020年市场占比达40.8%，其次为生物、医学领域，2020年市场占比为33.5%。 图表7：2020年中国扫描电镜下游消费结构 1.2我国扫描电镜市场规模约19亿，进口依赖度高 2020年我国电子显微镜市场规模约为26.13亿元。据SDI统计，2015-2020年全球电子显微镜市场规模分别为2108/2260/2413/2545/2689/2917百万美元，复合增长率达6.7%。若以中国表面科学仪器市场规模占比作为电子显微镜市场规模占比进行估算，则可知2015-2020年中国电子显微镜市场规模分别为230/255/280/303/328/370百万美元，复合增长率达10%。若以2022/12/1日美元兑人民币汇率换算，2020年我国电子显微镜市场规模约为26.13亿元。 图表8：全球电子显微镜市场规模呈稳健增长 图表9：我国电子显微镜市场规模呈稳健增长 2020年我国扫描电镜市场规模约为19.34亿元。全球电子显微镜常见的有透射电子显微镜、扫描电子显微镜、反射电子显微镜三类，根据智研咨询整理，2021年扫描电子显微镜是其中最大的种类，占比达74%左右。假定2020年扫描电子显微镜占比与2021年相同，则可简单测算得到2020年中国扫描电镜市场规模约为19.34亿元。 图表10：扫描电镜是电子显微镜中最大的种类，占比达74%左右 扫描电镜进口依赖度高，海外厂商市场份额超90%。具体份额方面，化工仪器网对2021H2的国内扫描电镜中标情况进行了不完全统计，从数量来看，进口仪器/国产仪器/其他的中标数量分别为69/3/3套，占比分别为92%/4%/4%。从金额来看，进口扫描电镜的中标金额为19875.8万元，国产扫描电镜的中标金额为866.5万，占比亦为92%与4%。需要注意的是，虽然两者占比相同，但并不意味着国产扫描电镜与进口扫描电镜的单价相仿，造成该现象的原因主要是国产厂商聚束科技以757.5万元的高价中标1台扫描电镜，再叠加低数量基数的影响，才造成国产数量占比与国产金额占比相近的结果。 图表11：2021H2国产扫描电镜与进口扫描电镜中标数量图表12：2021H2国产扫描电镜与进口扫描电镜中标金额 事实上，国内厂商所占份额应比化工仪器网所进行的不完全统计高一些。中科科仪作为国产扫描电镜引领者，于1975年成功研制我国第一台扫描电镜，2014年成功研制我国第一台场发射枪扫描电镜。据中科科仪公众号披露，公司于2021年11月单月销售场发射枪扫描电镜及钨灯丝扫描电镜数量就达到12台，但这些订单并未被化工仪器网的统计计入。 图表13：中科科仪 2021M11 单月销售扫描电镜数量达12台 赛默飞、日立、蔡司为最受欢迎的三个品牌。经化工仪器网的不完全统计，数量方面，赛默飞以19套的销售数量位居第一，其次是日立，共计中标16套，第三为蔡司，共计中标12套；金额方面，赛默飞仍是第一，可统计到的中标总金额为8485.7万元，约占39%；第二是蔡司，总金额为5133.3万元，约占24%； 第三是日立，4322.8万元，约占20%。 图表14：2021H2主要品牌扫描电镜中标数量（台） 图表15：2021H2主要品牌扫描电镜中标金额占比（%） 1.3国内厂商研发持续发力，产品升级迭代实现跨越发展 ⑴钢研纳克——场发射扫描电镜 钢研纳克子公司纳克微束于11月先后推出国产高分辨（HR）场发射扫描电镜“旗舰机型”——FE-1050系列与极高分辨（XHR）场发射扫描电子显微镜FE-2050X。两款产品设计之初便各有所侧重，FE-1050侧重于综合分析表征能力，而FE-2050更多侧重于极致的高分辨成像能力。 图表16：钢研纳克先后发布FE-1050系列、FE-2050X产品 FE-1050系列与FE-2050X的推出，代表着我国扫描电镜技术与国际先进技术的差距大幅减小。 FE-1050系列作为国内第一台具备可搭载聚焦离子束（FIB）能力的多用途双束电镜平台，已经获得多个国内顶级高校研究所订单，率先将我国的扫描电镜水平代入低压高分辨力（＜2nm@1kV）阶段。 FE-2050X作为国内首款自主研发的极高分辨（XHR）场发射扫描电子显微镜，将具备全电压段亚纳米（≤ 1.0nm ）的极致分辨能力，媲美进口扫描电镜顶端产品。它的问世，将使我国在扫描电镜技术（分辨力设计能力）与国际先进技术的技术差距从此前的25年大幅缩短到不到5年，实现了“跨越式”高质量发展。 图表17：FE-1050系列与FE-2050X的产品定位 以FE-1050系列为例，其性能参数并不逊色甚至优于同级别国际产品。图表18列举了FE-1050C与日立、蔡司、日本电子的三款同级别产品的性能参数，从表中可以看出，在性能指标上，FE-1050C与同级别产品基本持平，在部分性能指标上甚至优于同级别产品；在分析能力相关参数上，如样本空间大小、图像存储能力、智能化分析方面，FE-1050C更具有优势。 图表18：性能参数方面，FE-1050系列并不逊色甚至优于同级别国际产品 FE-1050系列和FE-2050X还拥有KCU平台概念开发架构，支持多种应用环境，存在未来继续升级的可能。同平台化设计开发的FE-1050系列（“同温层”）和FE-2050系列（“电离层”）两款设备具备非常好的模块通用性和后期升级潜质，行业内首先提出的关键可通用化模组（KCU）概念使得新的第三方附件模块集成变得异常轻松，进入“小时级开发”潜质。以FE-1050系列为例，其配备有27个端口，便于后期模块升级与应用拓展。 图表19：FE-1050系列和FE-2050X拥有KCU平台概念开发架构，支持多种应用环境 ⑵国仪量子——钨灯丝扫描电镜 国仪量子于11月下旬推出了世界上首台分辨率达到2.5纳米的钨灯丝扫描电镜——SEM3300。钨灯丝扫描电镜具有性价比高、易于维护、操作相对简单以及对场地要求较小等特点，便于大众使用。但长期以来，钨灯丝扫描电镜的分辨率都停滞不前，难以实现用户对更高分辨率的追求。国仪量子电子显微镜技术团队针对这一技术瓶颈开展了科研攻关，通过分析限制钨灯丝扫描电镜分辨率的主要因素，开创了在镜筒内增加一根从阳极直达物镜极靴的10kV高压管(高压隧道技术)的解决方案，并实现了在所有电压段的分辨率均大幅度超越普通钨灯丝电镜。SEM3300在20 kV分辨率达到 2.5nm ，比普通钨灯丝电镜提高了16%，成为了目前世界上分辨率最高的钨灯丝扫描电镜；同时，SEM3300在任意电压下都表现出优秀的分辨力——在3kV分辨率达到 4nm ，相比普通钨灯丝电镜提高了2倍； 在1kV分辨率达到 5nm ，相比普通钨灯丝电镜提高了3倍，因此满足更多材料的分析测试需求。 同时，国仪量子还推出了钨灯丝扫描电镜SEM2000和场发射扫描电镜SEM4000。钨灯丝扫描电镜SEM2000是一款操作不挑人，简约不简单的产品，以“人人都敢用，人人都能用”为目标打造。场发射扫描电镜SEM4000是一款针对分析型用户需求的全新产品，具有电子束流大、分析速度快的特点、最大超过200nA的电子束流，且束流大小连续可调，有利于选择最合适的成像和能谱条件。 图表20：SEM3300是世界上首台分辨率达到2.5纳米的钨灯丝扫描电镜 1.4贴息政策刺激扫描电镜需求，国产替代有望加速 科学仪器属于典型的“卡脖子”行业