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12. 我们的蛋白质3D高清照片仰赖舶来的透射式电镜
5月29日，清华大学生命科学院博士生张森森的蛋白样品9时准时在液氮环境下进入冷冻电镜。几天后，埃（10-10）级精度的蛋白质“高清3D彩照”将出炉。研究人员可以“直视”单个蛋白质的分子结构，并解出生命运转机理。
这期间，冷冻电镜中的电子枪将持续发射电子，每次看一个小单元。为了解释这个“小单元”，张森森为记者示意了一个“镊子尖”大小的小金片，“金片上约有200个左右的均匀小孔，每个小孔中再分150个小孔，电子束一次只‘看’其中一个小孔。”金片类似蛋白质的“载玻片”，与光学显微镜不同的是，载玻片透光，小金片要透电子，容许电子束透过样品时受到散射。散射信号被捕捉记录下来，计算后可呈现分子结构。
透射式电镜的生产能力是冷冻电镜制造能力的基础之一。“国内没有一家企业生产透射式电镜。”赛默飞公司技术支持陈宝庆说得不假思索，他毕业于北京大学地球物理专业，对行业非常了解，他介绍，“之前还有几个企业制造，比如原江南光学仪器厂现在就不造了。”
能做到单电子束控制的灯丝，只有进口
“理论上说，只要施加足够强的电场，电子就会从材料中‘游’出来。”陈宝庆说。但“游”的状态与可以使用的电子状态相距甚远。
什么样的电子才能为蛋白质拍摄高清3D彩照呢？东南大学材料科学与工程学院万克树教授描述了理想的状态：速度完全一样的电子，从“源头”的一个点上、非常多地发射出来。
“这些要求是相互矛盾的。”万克树解释，电子从材料表面溢出，要发射电子多，面积就要大，但是面积大了就难以满足一致性要求。
如果把电子枪想象成一把枪，它必须以“狙击”的精度完成机枪的扫射，“子弹”的角度、速度完全一致。
“电子的能量要做到高度一致，虽还达不到激光的程度，但也必须是很窄的分布。”陈宝庆解释，电子“子弹”一致性是提高图像分辨率的前提。
为此，电子枪的核心构造其实是一根极细的“陀螺针”，形似陀螺，尖端却比针还细。电子从尖端出发，在真空的环境下，前去与大分子“相撞”，进而反映出分子构象。
“之前的技术路线是通过加热让电子枪发射电子，发射源（俗称“灯丝”）用钨丝或六硼化镧，需要2500℃左右，高温促使电子发射，但也使电子异常活跃、难以控制，因此热发射电子枪的电镜精度低。”万克树说。
“场发射是通过高压电场，把电子从‘灯丝’里拉出来，室温下可完成。”万克树说，“所用灯丝国内没有生产，全部依赖进口，每根上万美元左右。”
他提到的常温场发射枪（肖特基电子枪）是将氧化锆沉积在单晶钨的晶体的特定面上。FEI公司后来在电子枪生产上又有了新的突破，将热和场结合起来，稳定性进一步提升。在清华大学冷冻电镜实验室的仪器介绍中可以看到，一台2013年购买、2015年到货的最新型号电镜在电子枪一栏标明“X-FEG”，有中文翻译为超稳定高亮度电子枪。“所用灯丝在材质上与之前的一致，工艺不同能够使亮度更强。”陈宝庆介绍。
上了邮票的科研成就，被中断
场发射的另一个关键部分是牵拉出电子的外加电场，电场电压高达300千伏。“在这样的高压下保持电压稳定，才能‘拉’出稳定一致的电子，专业上称为‘单色性好’。”万克树说。
据题为《中国透射式电子显微镜发展的历程》的文章记载，1963年，我国就开始了高压100kV电子枪稳定因素探讨的实验，1965年完成样机，中国自主研制透射式电镜于1979年达到当时的国际先进水平，还专门为国产的电子显微镜发行过纪念邮票。
该领域的研发却由于种种原因一度中断。“直到几年前，中国也试图重启这方面的公司，也曾立项想要完成场发射透射电镜的自主研发。”陈宝庆回忆，曾经有相关的科研人员，辗转找到他询问，为什么FEI公司没有相关专利。
“他们想到的捷径之一是把生产厂商的专利拿来参考，但是其中很多生产工艺是秘方级别的，根本不会外传。”陈宝庆说。
从“看人影”到“辨雀斑”，中国研发没使上劲
“如今，中国只有一家企业生产扫描电镜，透射电镜完全不生产了。”陈宝庆说，德国蔡司公司也停止了透射电镜的生产，目前世界上生产透射电镜的厂商只有3家，分别是日本电子、日立、FEI（2016年被赛默飞公司以42亿美元收购。）
没有市场是设备巨头纷纷放弃透射电镜的原因。“透射电镜之前的清晰度，使得冷冻电镜在科学研发上基本没有实际作用。”陈宝庆说。可以理解为，以前只能看清楚个人影，现在却能辨认清楚脸上的雀斑。
除了电子枪的原理变化，冷冻电镜上其他的技术精进，例如三维重建算法的实现、样品制作机器人的研发成功等，使得冷冻电镜的分辨率大规模提升，成为生命科学研究的利器。
在冷冻电镜从“看人影”到“辨雀斑”的发展历程中，中国没有使上劲。在冷冻电镜实验室中，从耗材到配件都必须进口。“加样台10万元一个、小金片50元一个、外托150元一个……”张森森说，所有匹配冷冻电镜使用的工具都需要原装，根本不存在“山寨版”。零件坏了找不到人修理，只能等待零件邮寄到货后进行更换。对于中国的冷冻电镜使用者们来说，这样的体验可能还要持续不短的时间。
13. 中国半导体产业因光刻胶失色
“假如我们把光刻机比作一把菜刀，那么光刻胶就好比是要切割的菜，没有高质量的菜，即使有了锋利的菜刀，也无法做出一道佳肴。”日前，江苏博砚电子科技有限公司技术部章宇轩在接受记者采访时说。
在北京化工大学理学院院长聂俊眼里，我国虽然已成为世界半导体生产大国，但面板产业整体产业链仍较为落后。目前，上游高端电子化学品（LCD用光刻胶）几乎全部依赖进口，必须加快面板产业关键核心材料基础研究与产业化进程，才能支撑我国微电子产业未来发展及国际“地位”的确立。
彩色薄膜少了光刻胶，产生不了绚丽的画面
显示器是人与机器沟通的重要界面。光刻胶是整个光刻工艺的重要部分，也是国际上技术门槛最高的微电子化学品之一，主要应用在集成电路和平板显示两大产业。光刻技术决定了集成电路的集成度，引领了技术节点的推进和实现。
章宇轩介绍，我们在日常工作生活中，之所以能从显示屏幕上看到色彩斑斓的画面，就是离不开屏幕中厚度只有2μm、却占面板成本16％的一层彩色薄膜。然而，彩色薄膜颜色的产生，必须由光刻胶来完成。
LCD是非主动发光器件，其色彩显示必须由本身的背光系统或外部的环境光提供光源，通过驱动器与控制器形成灰阶显示，再利用彩色滤光片产生红、绿、蓝三基色，依据混色原理形成彩色显示画面。
其中，根据颜色的不同，可以将光刻胶分为黑色、红色、绿色、蓝色四种。彩色滤光片的制作就是在玻璃基板上应用黑色光刻胶制作黑色矩阵，再应用红、绿、蓝光刻胶制作三原色像素。
光刻胶的研发，关键在于其成分复杂、工艺技术难以掌握。光刻胶主要成分有高分子树脂、色浆、单体、感光引发剂、溶剂以及添加剂，开发所涉及的技术难题众多，需从低聚物结构设计和筛选、合成工艺的确定和优化、活性单体的筛选和控制、色浆细度控制和稳定、产品配方设计和优化、产品生产工艺优化和稳定、最终使用条件匹配和宽容度调整等方面进行调整。因此，要自主研发生产，技术难度非常之高。
江苏汉拓光学材料有限公司副总经理孙友松告诉记者，在光刻胶研发上，我国起步晚，2000年后才开始重视。近几年，虽说有了快速发展，但整体还处于起步阶段。事实上，工艺技术水平与国外企业有着很大的差距，尤其是尖端材料及设备都仍依赖进口。
工艺技术难以突破，国内企业受制于人
“造成与国际先进水平差距的原因很多。过去由于我国在开始规划发展集成电路产业上，布局不合理、不完整，特别是重生产加工环节的投资，而忽视了最重要的基础材料、装备与应用研究。目前，整个产业是中间加工环节强，前后两端弱，核心技术至今被TOK、JSR、住友化学、信越化学等日本企业所垄断。”江苏博砚电子科技有限公司负责销售的经理李中强说。
了解到，光刻胶的主要技术指标有解析度、显影时间、异物数量、附着力、阻抗等。每一项技术指标都很重要，必须全部指标达到才能使用。因此，国外企业在配方、生产工艺技术等方面，对中国长期封锁。事实上，我国是在缺乏经验、缺乏专业技术人才，缺失关键上游原材料的条件下，全靠自己摸索。近年来，尽管光刻胶研发有了一定突破，但国产光刻胶还是用不起来。目前，国外阻抗已达到15次方以上，而国内企业只能做到10次方，满足不了客户工艺要求和产品升级的要求，有的工艺虽达标了，但批次稳定性不好。
“10次方的光刻胶经过多次烘烤，由于达不到客户需求的防静电作用，不能应用到最新一代窄边框、全面屏等高端面板上。而国外做到15次方就有了很好的防静电作用。这还是我们的光刻胶材料、配方、生产工艺方面存在问题。”李中强说。
关键指标达不到要求，国内企业始终受制于人。就拿在国际上具有一定竞争实力的京东方来说，目前已建立17个面板显示生产基地，其中，有16个已经投产。但京东方用于高端面板的光刻胶，仍然由国外企业提供。
基础性研究仍需发力，政府要重视鼓励应用牵引
能让显示屏幕绚丽多彩的光刻胶，仍是中国半导体产业之“痛”。该如何打破欧美及日本等国家和地区的封锁与垄断？
业内人士认为，按照现在“单打独斗”的研发路径，肯定不行。政府相关部门要加大产业政策的配套支持力度，应从加快完善整个产业链出发，定向梳理国内缺失的、产业依赖度高的关键核心电子化学品，要针对电子化学品开发难度高，检测设备要求高的特点，组织汇聚一些优势企业和专家，形成一个产业联盟，国家建立一个生产应用示范平台，集中力量突破一些关键技术。
有专家提出，尽管国产光刻胶在高端面板一时用不起来，但政府还是要从政策上鼓励国内普通面板的生产企业尽快用起来。只有在应用过程中才能发现问题，解决问题，不断提升技术、工艺与产品水平，实现我国关键电子化学品材料的国产化，完善我国集成电路的产业链，满足国家和重点产业的需求。
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