Оптимальная конструкция электродов для микроминиатюрной электронной оптики

Цели. Цель работы – систематический анализ и оптимизация основных конструкционно-технологических характеристик микроминиатюрных электронно-оптических систем для достижения максимальных показателей их работоспособности. В ходе исследования особое внимание уделялось установлению взаимосвязей между геометрическими параметрами системы и ее функциональными характеристиками.

Методы. В основе исследования лежит комплексное математическое моделирование динамики электронов в сложной пятиэлектродной схеме, достоверно воспроизводящей реальную конструкцию компактной электронно-лучевой микроколонны. Данный подход позволил установить количественные зависимости критических показателей производительности системы – разрешающей способности и интенсивности электронного пучка – от фундаментальных геометрических параметров: межэлектродных расстояний, конфигурации апертур диафрагм и углового размера выходного отверстия. Основные усилия были сосредоточены на определении оптимальных значений указанных параметров, обеспечивающих минимальный размер фокального пятна при одновременной максимизации энергии пучка.

Результаты. Проведенное компьютерное моделирование выявило определяющее влияние каждого компонента пятиэлементной электронно-оптической структуры на формирование качественных характеристик электронного потока. Установлено наличие выраженного минимума диаметра электронного пучка при определенной комбинации геометрических и электрических параметров системы. Обнаруженный оптимум позволил разработать новую методику проектирования и калибровки компактных электронно-лучевых приборов, обеспечивающую достижение максимального разрешения и высокой чувствительности при минимальном энергопотреблении. Детальный анализ продемонстрировал, что оптимальная конфигурация электродов позволяет снизить сферическую аберрацию на 25% по сравнению с традиционными решениями.

Выводы. Разработанный подход к проектированию электронно-оптических систем микроколонн существенно повышает производительность и расширяет функциональные возможности электронных микроскопов и родственных аналитических приборов. Практическая значимость работы подтверждается возможностью создания устройств с рекордными показателями разрешения при компактных размерах. Важным достижением является установление количественных критериев оптимизации, позволяющих целенаправленно улучшать характеристики электронно-лучевых систем.

1. Zhao X., Fan B., Ma Z., Zhong S., Chen J., Zhang T., Su H. Optical-digital joint design of multi-order diffractive lenses for lightweight high-resolution computational imaging. Opt. Lasers Eng. 2024;180:108308. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2024.108308

2. Thomson M.G.R., Chang T.H.P. Lens and deflector design for microcolumns. J. Vac. Sci. Technol. B. 1995;13(6):2445–2449. https://doi.org/10.1116/1.588018

3. Perng D.C., Crewe D.A., Feinerman A.D. Micromachined thermionic emitters. J. Micromech. Microeng. 1992;2(1):25–30. https://doi.org/10.1088/0960-1317/2/1/006

4. Lee J.-W., Park I.-Y., Ogawa T. Design and optimization of a conical electrostatic objective lens of a low-voltage scanning electron microscope for surface imaging and analysis in ultra-high-vacuum environment. Ultramicroscopy. 2024;257:113908. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2023.113908

5. Laszczyk K., Krysztof M. Electron beam source for the miniaturized electron microscope on-chip. Vacuum. 2021;189:110236. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110236

6. Krysztof M., Białas M., Szyszka P., Grzebyk T., Górecka-Drzazga A. Fabrication and characterization of a miniaturized octupole deflection system for the MEMS electron microscope. Ultramicroscopy. 2021;225:113288. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2021.113288

7. Hofmann U., Ünal N., Klikovits J. From ghost to state-of-the-art process corrections – PEC enabled e-beam nanofabrication. Micro and Nano Engineering (MNE). 2024;25:100286. https://doi.org/10.1016/j.mne.2024.100286

8. Karkantonis T., Penchev P., Nasrollahi V., Le H., See T.L., Bruneel D., Ramos-de-Campos J.A., Dimov S. Laser micromachining of freeform surfaces: Accuracy, repeatability and reproducibility achievable with multi-axis processing strategies. Precis. Eng. 2022;78:233–247. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2022.08.009

9. Parker N.W., BrodieA.D., McCoy J.H. A high throughput NGL electron-beam direct-write lithography system. In: Proceeding SPIE Emerging Lithographic Technologies. V. 3997. 2000. https://doi.org/10.1117/12.390042

10. Itoh S., Tanaka M., Tonegawa T. Development of field emission displays. J. Vac. Sci. Technol. B. 2004;22(3):1362–1366. https://doi.org/10.1116/1.1691409

11. Villarroya M., Barniol N., Martin C., Pérez-Murano F., Esteve J., Bruchhaus L., Jede R., Bourhis E., Gierak J. Fabrication of nanogaps for MEMS prototyping using focused ion beam as a lithographic tool and reactive ion etching pattern transfer. Microelectron. Eng. 2007;84(5-8):1215–1218. https://doi.org/10.1016/j.mee.2007.01.074

12. Appleton B.R., Tongay S., Lemaitre M., Gila B., Fridmann J., Mazarov P., Sanabia J.E., Bauerdick S., Bruchhaus L., Mimura R., Jede R. Materials modifications using a multi-ion beam processing and lithography system. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2012;272:153–157. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2011.01.054

13. Pease R.F., Ioakeimidi K., Aldana R., et al. Photoelectronic analog-to-digital conversion using miniature electron optics: Basic design considerations. J. Vac. Sci. Technol. B. 2003;21(6):2826–2829. https://doi.org/10.1116/1.1621664

14. Srivastava K., Le-The H., Lozeman J.J.A., van den Berg A., van der Stam W., Odijk M. Prospects of nano-lithographic tools for the fabrication of surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) substrates. Micro and Nano Engineering (MNE). 2024;23:100267. https://doi.org/10.1016/j.mne.2024.100267

15. Кузнецов П.С. Вопросы и перспективы развития мехатроники и микросистемной техники. Нано- и микросистемная техника. 2024;25(4):159–169. https://doi.org/10.17587/nmst.25.159-169

16. Кузнецов П.С. Микроэлектромеханические системы: путь к совершенствованию гироскопов. Russian Technological Journal. 2025;13(3):103–121. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2025-13-3-103-121

17. Chang T.H.P., Thomson M.G.R., Yu M.L., et al. Electron beam technology – SEM to microcolumn. Microelectron. Eng. 1996;32(1-4):113–130. https://doi.org/10.1016/0167-9317(95)00366-5

18. Kim H.S., Ahn S., Kim D.W., Oh T.-S., Ahn S.J. Efficient electron beam condensing for low-energy microcolumn lithography. Microelectronics J. 2008;39(1):94–98. https://doi.org/10.1016/j.mejo.2007.09.030

19. Hu J., Yue L., Ma Y., Liu F., Kang Y. Aberration calculation of microlens array using differential algebraic method. Ultramicroscopy. 2025;269:114085. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2024.114085

20. Zlatkin A., Garcia N. Low-energy (300eV) versatile scanning electron microscope with 30 nm resolution. Microelectron. Eng. 1999;45(1):39–46. https://doi.org/10.1016/S0167-9317(98)00260-3

21. Ximen J. Chapter One – The electron optical imaging system and its aberrations. In: Hawkes P.W., Hÿtch M. (Eds.). Advances in Imaging and Electron Physics. Elsevier; 2023. V. 226. P. 1–88. https://doi.org/10.1016/bs.aiep.2023.03.003

22. Weigand H., Gautsch S., Strohmaier W., Blideran M., Staufer U., de Rooij N.F., Kern D.P. Microcolumn with variable axis lens for large scan fields and pixel numbers. Microelectron. Eng. 2011;88(8):2431–2434. https://doi.org/10.1016/j.mee.2010.12.120

23. Mankos M., Lee K.Y., Muray L., et al. Optimization of microcolumn electron optics for high current application. J. Vac. Sci. Technol. B. 2000;18(6):3057–3060. https://doi.org/10.1116/1.1321756

24. Feng Y., Li W., Chen Y., Kang X., Li J., Tang K., Zhao Z., Liu X., Zhou K., You Y., Li M., Li P., Xu Z., Zhao T., Mao R. Design and performance of a low-emittance electron gun for electron beam probe. Nuclear Inst. Methods in Physics Research, A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2024;1066:169604. https://doi.org/10.1016/j.nima.2024.169604

25. Fox J., Lee H.K., Alajo A.B., Avachat A. Simulation study of electron beam optics for a distributed X-ray source toward stationary CT architecture. Nuclear Inst. Methods in Physics Research, A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2024;1062:169149. https://doi.org/10.1016/j.nima.2024.169149

26. Sinelnikov A.O., Smetanin I.A., Basov B.A., Smetanin E.A., Bykanova U.F. Effect of Ignition Voltage Amplitude on Breakdown Delay Time of Ring Laser Discharge Gap. In: 2025 7th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE). 2025. https://doi.org/10.1109/REEPE63962.2025.10971095

27. Казьмирук В.В., Курганов И.Г., Подкопаев А.А., Савицкая Т.Н. Оптимизация электронно-оптической системы растрового электронного микроскопа для измерения размеров микро- и нанообъектов. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2019;7:36–41. https://doi.org/10.1134/S0207352819070072

28. Бакулин Е.М., Курушин Г.В., Строганов К.А. Результаты моделирования конструкции микроакселерометра на основе интегрированной технологии микромеханики и акустоэлектроники. Электронная техника. Серия 3: Микро­ электроника. 2018;2(170):43–49. https://elibrary.ru/xtxzvz

29. Трапашко Г.А. Синтез оптоэлектронной системы установки контроля микроэлектронных структур. Наука и техника. 2014;1:38–43. https://elibrary.ru/rylmup

30. Бельский М.Д., Суворинов А.В., Филипчук Т.С., Шахбазов С.Ю. Расчет технологических допусков в электростатических линзах для электронно-лучевых микроколонн. Известия высших учебных заведений. Электроника. 2006;1: 76–83. https://elibrary.ru/hsywrb

31. Казьмирук В.В., Курганов И.Г., Савицкая Т.Н. Расчет миниатюрной формирующей линзы высоковольтного электронного литографа. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2020;12:89–94. https://doi.org/10.31857/S1028096020120158

32. Бельский М.Д., Львов Б.Г., Рыбалко В.В. Моделирование фокусирующей микролинзы для оже-анализатора с ЦЗА. Извес­ тия Российской академии наук. Серия физическая. 2013;77(8):1059–1062. https://doi.org/10.7868/S0367676513080061