自由电子激光器的制作方法

本申请要求于2015年12月23日提交的欧洲申请15202244.8的优先权，该欧洲申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及自由电子激光器(FEL)。特别地，但非排它地，本发明涉及适用于用于光刻系统的辐射源的FEL。

背景技术：

光刻设备是被构造成将期望的图案施加到衬底上的机器。例如，光刻设备可用于制造集成电路(IC)。光刻设备可以例如将图案从图案形成装置(例如掩模)投影到设置在衬底上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上。

光刻设备将图案投影到衬底上的所用的辐射的波长确定了可以在该衬底上形成的特征的最小尺寸。使用EUV辐射(波长在5-20nm范围内的电磁辐射)的光刻设备可以用于在基板上形成比常规光刻设备(例如可以使用波长为193nm的电磁辐射)更小的特征。

期望生产具有增加的功率的EUV辐射源以增加EUV光刻的生产量。

技术实现要素：

根据第一方面，提供了一种自由电子激光器，包括：

电子源，所述电子源能够操作以产生包括电子聚束的上游电子束；

束路径，所述束路径被配置为：引导所述上游电子束通过直线加速器系统、聚束压缩器和波荡器，以产生相干辐射；使离开所述波荡器的下游束以一相位与所述上游电子束平行地再循环通过所述直线加速器，使得所述下游束被所述直线加速器减速；并将所述下游束引导到束收集器；

第一能量散布装置，所述第一能量散布装置能够操作以对电子聚束的能量分布进行可逆变化，并且在所述束路径中位于所述聚束压缩器之前的位置，使得所述第一能量散布装置中仅通过所述上游电子束；以及

第二能量散布装置，所述第二能量散布装置能够操作以反转由所述第一束散布装置施加的电子聚束的能量分布的变化，所述第二束散布装置在所述束路径中位于所述波荡器之前的位置，使得所述第二能量散布装置中仅通过所述上游电子束。

根据第二方面，提供了一种光刻系统，包括：

上述自由电子激光器；以及

一个或多个光刻设备。

根据第三方面，提供了一种产生辐射束的方法，包括：

产生包括电子聚束的上游电子束；

通过直线加速器加速所述上游电子束；

压缩所述上游电子束的电子聚束；

引导所述上游电子束通过波荡器以产生相干辐射；

引导离开所述波荡器的下游电子束通过所述直线加速器以形成减速电子束；

在所述压缩之前可逆地扩展仅所述上游电子束的所述电子聚束的能量；和

在所述波荡器之前反转所述扩展。

根据第四方面，提供了一种自由电子激光器，包括：

电子源，所述电子源能够操作以产生包括电子聚束的上游电子束；

束路径，所述束路径被配置为：引导所述上游电子束通过直线加速器系统、聚束压缩器和波荡器，以产生相干辐射；使离开所述波荡器的下游束以一相位与所述上游电子束平行地再循环通过所述直线加速器，使得所述下游束被所述直线加速器减速；并将所述下游束引导到束收集器；

去啁啾装置，所述去啁啾装置被配置为从所述上游束的电子聚束中移除啁啾；

冲洗装置，所述冲洗装置被配置为使所述上游束的所述电子聚束中的电子的纵向位置与它们的能量成比例地移位；

啁啾装置，所述啁啾装置被配置为将啁啾增加到所述上游束的所述电子聚束中；和

压缩器，所述压缩器被配置为压缩所述电子聚束。

根据第五方面，提供了一种产生辐射束的方法，包括：

产生包括电子聚束的上游电子束；

通过直线加速器加速所述上游电子束；

从所述电子聚束中移除啁啾；

对所述电子聚束进行冲洗，所述冲洗使所述电子聚束中的电子的纵向位置与它们的能量成比例地移位；

在所述电子聚束中加入啁啾；

压缩所述上游电子束的所述电子聚束；

引导所述上游电子束通过波荡器以产生相干辐射；和

引导离开所述波荡器的下游电子束通过所述直线加速器以形成减速电子束。

以这种方式，可以避免电子束中的微聚束不稳定并且获得更高的功率输出。

附图说明

现在将参考所附示意性附图、仅以示例的方式来描述本发明的实施例，其中：

图1描绘了包括根据本发明实施例的自由电子激光器的光刻系统；

图2描绘了形成图1的光刻系统的一部分的光刻设备；

图3是自由电子激光器的示意图，其可以形成图1的光刻系统的一部分；

图4描绘了电子聚束中的片能量扩展与自由电子激光器的输出功率之间的关系；

图5是横向偏转RF腔的局部剖视示意图；

图6描绘了在t＝0时图5的横向偏转RF腔中的电子聚束与横向电场之间的关系；

图7A至图7C描绘了在通过横向场偏转RF腔之前、通过横向场偏转RF腔之后和激光加热之后作为电子聚束的横向和能量扩展的函数的能量分布；

图8描绘了对电子聚束执行以产生辐射的过程；

图9是另一自由电子激光器的示意图，其可以形成图1的光刻系统的一部分；

图10A至图10C描绘了在冲洗步骤之前聚束中的电子的能量和空间分布；

图11A至图10C描绘了在冲洗步骤之后聚束中的电子的能量和空间分布；

图12是另一自由电子激光器的示意图，其可以形成图1的光刻系统的一部分；

图13是另一自由电子激光器的示意图，其可以形成图1的光刻系统的一部分；以及

图14A和图14B描绘了冲洗步骤对能量-z相空间中的聚束形状的影响。

具体实施方式

图1示出了光刻系统LS，其包括：辐射源SO；分束设备20和八个光刻设备LA1-LA8。辐射源SO包括自由电子激光器并且被配置为产生远紫外(EUV)辐射束BFEL(其可以被称为主束)。主辐射束BFEL被分束设备20分成多个辐射束Ba-Bh(可以被称为分支束)，每个辐射束被引导到光刻设备LA1-LA8中的不同的一个。分支辐射束Ba-Bh可以从主辐射束相继分离，每个分支辐射束从前一个分支辐射束下游的主辐射束分离。在这种情况下，分支辐射束可以例如基本上彼此平行地传播。

辐射源SO、分束设备20和光刻设备LA1-LA8都可以被构造和布置成使得它们可以与外部环境隔离。可以在辐射源SO、分束设备20和光刻设备LA1-LA8的至少一部分中提供真空，以便最小化EUV辐射的吸收。光刻系统LS的不同部分可以被提供有不同压力的真空(即保持在低于大气压的不同压力下)。

参考图2，光刻设备LA1包括照射系统IL、被配置为支撑图案形成装置MA(例如掩模)的支撑结构MT、投影系统PS和被配置为支撑衬底W的衬底台WT。照明系统IL被配置为在光刻设备LA1接收的分支辐射束Ba入射到图案形成装置MA之前调节该光刻设备LA1接收的分支辐射束Ba。投影系统被配置为将辐射束Ba’(现在已被掩模MA图案化)投影到衬底W上。衬底W可以包括先前形成的图案。在这种情况下，光刻设备LA1将图案化的辐射束Ba′与先前在衬底W上形成的图案对准。

虽然图2中仅示出了光刻设备，但是应该理解，光刻系统LS可以包括其他工具，例如掩模检查设备。

由光刻设备LA1接收的分支辐射束Ba通过照射系统IL的封闭结构中的开口8从分束设备20进入照射系统IL。可选地，分支辐射束Ba可以被聚焦以在开口8处或附近形成中间焦点。

照射系统IL可包括琢面场反射镜装置10和琢面光瞳反射镜装置11。琢面场反射镜装置10和琢面光瞳反射镜装置11一起提供具有所需横截面形状的辐射束Ba和期望的角度分布。琢面场反射镜装置10和琢面光瞳反射镜装置11可各自包括可独立移动的反射镜阵列。琢面场反射镜装置10和琢面光瞳反射镜装置11可包括不同数量的可独立移动的反射镜。例如，琢面光瞳反射镜装置11可以包括两倍于琢面场反射镜装置10的反射镜。琢面场反射镜装置10和琢面光瞳反射镜装置11中的反射镜可以是任何合适的形状，例如，它们可以是通常是香蕉形。辐射束Ba从照射系统IL通过并入射在由支撑结构MT保持的图案形成装置MA上。图案形成装置MA反射并图案化辐射束以形成图案化光束Ba′。除了琢面场反射镜装置10和琢面光瞳反射镜装置11之外或代替琢面场反射镜装置10和琢面光瞳反射镜装置11，照射系统IL可以包括其他反射镜或装置。照射系统IL可以例如包括可独立移动的反射镜阵列。可独立移动的反射镜的跨度可以例如小于1mm。可独立移动的反射镜可以例如是MEMS装置。

在被图案形成装置MA反射之后，图案化的辐射束Ba′进入投影系统PS。投影系统PS包括多个反射镜13、14，反射镜13、14被配置成将辐射束Ba′投影到由衬底台WT保持的衬底W上。投影系统PS可以将缩减因子应用于辐射束，形成具有特征小于图案形成装置MA上的对应特征的图像。例如，可以应用缩减因子4。尽管在图2中投影系统PS具有两个反射镜，但投影系统可包括任何数量的反射镜(例如六个反射镜)。

辐射源SO包括根据本发明实施例的自由电子激光器FEL，其能够操作以产生EUV辐射束。可选地，根据本发明的实施例，辐射源SO可以包括一个以上的自由电子激光器FEL。

辐射源SO还可以包括光学器件，该光学器件布置成改变从自由电子激光器接收的辐射束的横截面的尺寸和/或形状。

光学器件可以包括扩束光学器件，其布置成增加由该自由电子激光器输出的辐射束的横截面积。有利地，这降低了扩束光学器件下游的反射镜上的热负荷。这可以允许扩束光学器件下游的反射镜具有较低的规格，冷却较少，因此较便宜。附加地或替代地，它可以允许下游反射镜更接近垂直入射。分束设备20可以包括多个静态提取反射镜，这些静态提取反射镜布置在束BFEL的路径中，其沿着多个分支辐射束Ba-Bh引导来自主束BFEL的辐射。增加主束BFEL的尺寸会降低反射镜必须位于束BFEL路径中的精度。因此，这允许分束设备20更精确地分离输出束BFEL。

辐射源SO还可以包括形状改变光学器件，其被布置成改变从自由电子激光器接收的辐射束的横截面形状。形状改变光学器件可包括一个或多个像散光学元件或非球面光学元件。形状改变光学器件和扩束光学器件可以共享共同的光学元件。

自由电子激光器包括电子源，其能够操作以产生聚束的相对论性电子聚束，以及周期性磁场，相对论电子聚束被引导通过该周期性磁场。周期性磁场由波荡器产生，并使电子沿着绕中心轴的振荡路径行进。由于磁场引起的加速，电子大致在中心轴的方向上自发地辐射电磁辐射。相对论性电子与波荡器内的辐射相互作用。在某些条件下，这种相互作用使得电子聚集成微聚束，在波荡器内于辐射波长处被调制，并且沿着中心轴的辐射的相干发射被激发。

参考图3，自由电子激光器(FEL)的主要部件是：注入器21a、21b；第一和第二直线加速器22a、22b；波荡器24和束收集器100。注入器21a、21b和直线加速器22a、22b一起能够操作以产生相对论性电子。

注入器21a、21b布置成产生初始电子束EB1，该初始电子束EB1包括具有第一能量E1的电子聚束。提供两个注入器以用于冗余，因此可以在使用另一个注入器的同时对另一个行维修，因此如果需要可以省略一个注入器。注入器21a、21b包括电子源，例如热电子阴极或光电阴极和加速电场。优选地，初始电子束EB1具有相对低的发射率，例如低于1mm mRad。第一能量E1可以是例如大约5-20MeV。第一能量E1可以是大约10-15MeV，这可能是优选的，因为它可以允许初始电子束EB1的发射率保持低于1mm mRad。电子束耦合器25，例如，偶极磁体系统，将初始电子束EB1耦合到第一直线加速器22a中。

初始电子束EB1由第一直线加速器22a加速以形成加速电子束EB2。在示例中，第一直线加速器22a可包括沿公共轴线轴向间隔开的多个谐振腔以及一个或多个射频电源，一个或多个射频电源能够操作以在电子聚束在它们之间通过时，沿公共轴线控制电磁场以加速每聚束电子。谐振腔可以是超导射频腔。有利地，这允许：在高占空比下施加相对大的电磁场；较大的束孔径，导致由于尾场的较少损失；并且对于传输到束的射频能量(与通过腔壁耗散相反)的部分将增加。或者，谐振腔可以是常规导电(即不是超导)射频腔，并且可以由例如铜形成。也可以使用其他类型的直线加速器。

加速电子束EB2然后通过束转向器26(束转向器26的功能将在后面解释)和(补偿束转向器26的影响的)第一弯道27a。加速电子束EB2然后通过第一弧28a，其将束方向改变大约180度并将加速电子束EB2传递到第二直线加速器22b。第二直线加速器22b可具有与第一直线加速器22a类似的结构，并进一步将加速电子束EB2加速到较高的第二能量E2。自由电子激光器包括两个直线加速器，以使其整体布局更紧凑。如果需要，可以使用单个较长的直线加速器来代替第一和第二直线加速器22a、22b。

加速电子束EB2然后通过第二弧28b，第二弧28b将其传递到波荡器24。波荡器24包括多个磁体，其能够操作以产生周期性磁场并且布置成引导由注入器21和直线加速器22沿周期路径产生的相对论性电子。结果，电子大致在波荡器24的中心轴方向上辐射电磁辐射。电子所遵循的路径可以是正弦和平面的，其中电子周期性地通过中心轴，或者可以是螺旋形的，其中电子围绕中心轴旋转。振荡路径的类型可以影响由自由电子激光器发射的辐射的偏振。例如，使电子沿螺旋路径传播的自由电子激光器可以产生椭圆偏振辐射，这对于由光刻设备LA1-LA8曝光衬底W可能是优选的。

波荡器24包括多个部分，每个部分包括周期性磁体结构。波荡器24还可以包括用于将加速电子束EB2重新聚焦在一对或多对相邻部分之间的机构(例如四极磁体)。用于重新聚焦加速电子束EB2的机构可以减小电子聚束的尺寸，这可以改善电子与波荡器24内的辐射之间的耦合，从而增加辐射发射的激励。

当电子移动通过波荡器24时，它们与辐射的电场相互作用，与辐射交换能量。通常，电子和辐射之间交换的能量将快速振荡，除非条件接近共振条件，由下式给出：

其中λem是辐射的波长，λu是波荡器周期，γ是电子的洛伦兹因子，K是波荡器参数。A取决于波荡器24的几何形状：对于螺旋波荡器A＝1，而对于平面波荡器A＝2。在实践中，每电子聚束将具有能量扩展，尽管这种扩散可以尽可能地最小化(通过产生具有低发射率的加速电子束EB2)。波荡器参数K通常约为1，并由下式给出：

其中q和m分别是电子的电荷和质量，B0是周期性磁场的幅度，c是光速。

谐振波长λem等于移动通过波荡器24的电子自发辐射的一次谐波波长。自由电子激光器FEL可以以自放大受激发射(SASE)模式操作。在SASE模式下操作可能需要加速电子束EB2中的电子聚束在其进入波荡器24之前的低能量扩展。或者，自由电子激光器FEL可以包括种子辐射源，其可以通过在波荡器24内部的受激发射被放大。

移动通过波荡器24的电子可以使辐射振幅增加，即自由电子激光器FEL可以具有非零增益。当满足共振条件方程(1)时，自由电子激光器FEL的增益可以为零。当条件接近但略微偏离共振时，可以实现最大增益。

波荡器24内的电子和辐射之间的相互作用在加速电子束EB2中的电子聚束内产生能量扩展。离开波荡器24的电子束EB3可以被认为是具有能量扩展的不同电子束，并且可以被称为使用过的电子束。在使用过的电子束EB3中的能量扩展取决于波荡器24的转换效率。定量地，在所使用过的电子束EB3中的能量扩展的宽度可以由波荡器24的转换效率和第二能量E2的乘积给出。

当电子进入波荡器24时满足谐振条件的电子在发射(或吸收)辐射时将失去(或获得)能量，从而不再满足谐振条件。因此，在一些实施例中，波荡器24可以是锥形的。也就是说，周期性磁场的振幅和/或波荡器周期λu可以沿着波荡器的长度变化，以便当它们被引导通过波荡器24时保持电子聚束处于或接近谐振。需要注意的是，在波荡器24内的电子和辐射之间的这种相互作用产生电子聚束内的能量的扩展。波荡器24的逐渐变细可以布置成使处于谐振或接近谐振的电子的数最大化。例如，电子聚束可以具有在峰值能量处达到峰值的能量分布，并且逐渐变细可以被布置成将具有该峰值能量的电子在它们被引导通过波荡器24时保持在谐振处或接近谐振。有利地，波荡器的逐渐变细具有显着提高转换效率的能力。锥形波荡器的使用可以提高转换效率(即加速电子束EB2的能量的被转换为辐射束BFEL中的辐射的部分)超过2倍。波荡器的锥形可以通过沿其长度减小波荡器参数K来实现。这可以通过使波荡器周期λu和/或沿着波荡器的轴的磁场强度B0与电子聚束能量匹配来实现，以确保它们处于或接近谐振条件。以这种方式满足谐振条件增加了发射辐射的带宽。

辐射束BFEL从波荡器24传播。辐射束BFEL包括EUV辐射。由自由电子激光器FEL输出的EUV辐射束BFEL可以具有基本上圆形的横截面和高斯强度分布。由EUV自由电子激光器产生的辐射束通常具有相对小的光学扩展量。特别地，由自由电子激光器FEL产生的EUV辐射束BFEL具有比由激光产生的等离子体(LPP)源或放电产生的等离子体(DPP)源(二者是现有技术中已知的)产生的EUV辐射束小得多的光学扩展量。例如，由自由电子激光器FEL产生的辐射束BFEL可以具有小于500μrad的发散度，例如小于100μrad，并且在离开波荡器24时可以例如具有大约50μm的直径。

自由电子激光器FEL的输出功率可以是几十千瓦的量级，以便支持八个EUV光刻设备LA1-LA8的高生产量。在这些功率下，由于由自由电子激光器FEL产生的辐射束BFEL的初始直径很小，所以辐射束Ba-h的功率密度将是显著的。

为了使自由电子激光器FEL的输出功率足以支持多个EUV光刻设备LA1-LA8的高产出，自由电子激光器FEL可具有某些性质。例如，从第二直线加速器22b输出的加速电子束EB2的第二能量E2可以是大约500到1000MeV。加速电子束EB2的功率可以是1至100MW的量级。加速电子束EB2的功率可以由EUV辐射BFEL的输出束的所需功率和波荡器24的转换效率决定。对于给定的自由电子激光器FEL的输出功率，波荡器24的转换效率越高，注入器21的电流越低。更高的波荡器转换效率和更低的注入器电流可能是非常需要的。

离开波荡器24的使用过的电子束EB3必须被收集器100吸收。收集器100可以包括足够量的材料以吸收使用过的电子束EB3。该材料可具有用于诱导放射性的阈值能量。以低于该阈值能量的能量进入收集器100的电子可仅产生伽马射线发射但不会引起任何显著水平的放射性。该材料可具有用于由电子撞击的放射性诱导的高阈值能量。例如，束收集器可包括铝(A1)，其具有约17MeV的阈值能量。期望在使用的电子束EB3进入收集器100之前降低其中的电子能量。这消除或至少减少了从收集器100移除和处置放射性废物的需要。这是有利的，因为移除放射性废物需要定期关闭自由电子激光器FEL，放射性废物的处理成本高，可能对环境造成严重影响。

在进入收集器100之前，从使用过的电子束EB3中提取能量，即电子被减速。电子的能量可以降低到10MeV以下，并且优选地低于5MeV。有利地，低于该能量的电子不会在束收集器100中引起任何显著水平的放射性。在自由电子激光器FEL的操作期间，将存在伽马辐射，但是当电子束E被关闭时，处理束收集器100将是安全的。

使用第一和第二直线加速器22a、22b使离开波荡器24的电子减速。也就是说，用于加速从注入器21输出的电子的第一和第二直线加速器22a、22b也可用于减速。这种布置被称为能量回收LINAC(ERL)。

离开波荡器24的电子聚束通过第三弧28c，第三弧28c将它们带到第二直线加速器22b，相对于第二直线加速器22b中的射频(RF)场具有大约180度的相位差。组合器29将使用过的电子束EB3与加速电子束EB2组合。使用过的电子束EB3在第二直线加速器22b中减速以形成减速电子束EB4。

在第二直线加速器22b的出口处，必须将加速电子束EB2与减速电子束EB4分离。加速电子束EB2和减速电子束EB4沿相同路径传播通过第二直线加速器22b。散布装置30分离加速电子束EB2和减速电子束EB4。加速电子束EB2前进到第二弧28b，而减速电子束EB4通过第四弧28d到达组合器25(如上所述)。组合器25将减速电子束EB4与聚束电子束EB1组合并将它们输入第一直线加速器22a，减速电子束EB4相对于第一直线加速器22a中的射频(RF)场具有大约180度的相位差。因此，第一直线加速器22a通过与第二直线加速器相同的机制进一步减速减速电子束EB4。

在第一直线加速器22a的出口处，使用偶极分离器26将减速电子束EB4与加速电子束EB2分离，使得减速电子束可以被发送到收集器100并且加速束EB2通过第一弧28a到达第二直线加速器。偶极分离器简单地施加跨越束路径的均匀的磁场，导致加速和减速的电子束弯曲。由偶极分离器26引起的对电子束的偏转程度取决于各个束中电子的能量。因此，加速电子束EB2仅偏转一小部分，而减速电子束偏转更大的角度，因此很快与加速电子束EB2物理分离，然后可以进一步转向收集器100而不影响加速电子束EB2。或者，消色差束分离器(也称为Enge或Pretzel磁体)可用于将减速电子束EB4与加速电子束EB2分离。

因此，电子聚束的“寿命”可以总结如下：它在注入器21a、21b中的一个中产生；由第一直线加速器22a加速，由第二直线加速器22b再次加速；在波荡器24中产生辐射；由第二直线加速器22b减速并由第一直线加速器22a再次减速；最终被收集器100吸收。在上文中，为了简洁起见，省略了用于连接束路径的多个部分的诸如弯道和阶梯之类的项目的描述。传播通过FEL的电子束在此称为上游电子束直到波荡器并包括波荡器，并且此后被称为下游电子束。

波荡器24产生的辐射束BFEL的功率的重要因子是进入波荡器24的电子聚束的片能量扩展(即，电子聚束的垂直于传播方向的片内的电子能量的扩展)。沿传播方向的能量变化需要被控制。较小的能量扩展，即电子聚束中较窄的能量范围，提供较高的输出功率。因此，希望在由注入器21a、21b产生的电子聚束中提供低的能量扩展，然后在直线加速器22a、22b中加速。另外，希望在电子束围绕束路径前进时进一步压缩电子聚束。在一个实施例中，弧28a和28b具有压缩效果。

然而，如果电子聚束具有太低的初始能量扩展，则在具有压缩效应的装置中可能发生称为微聚束不稳定的现象，例如，通过制造更高能量的电子比较低的电子需要更长的路径。微聚束不稳定是一种自我放大过程，大大增加了能量扩展。聚束中电子密度的任何局部增加都会使密度增加的区域之前的电子被推向前(加速)，而局部密度增加后的电子被推回(减速)。效果是将密度不均匀性转换为能量不均匀性，反之亦然。

图4在左图中描绘了初始能量扩展dI与波荡器处的能量扩展dUdU之间的关系，并且在右图中描绘了波荡器处的能量扩展dUdU与FEL的输出功率之间的关系，P。在微聚束不稳定不存在时，初始能量扩展dI与波荡器处的能量扩展dU之间将存在单调关系。然而，微聚束不稳定是一种不可避免的现象，并导致初始能量扩展dI与波荡器处的能量扩展dU之间的关系，其在较高能量扩展时倾向于线性关系，但是在低能量扩展时较低的初始能量扩展在波荡器上产生较高能量扩展。这由图4的左图中的实曲线表示。因此，在没有微聚束不稳定的情况下，预期低的初始能量扩展dE1将导致高输出功率P2。然而，由于微聚束不稳定，这种低初始能量扩展dE1产生低输出功率，并且实际上，利用较高的初始能量扩展dE2获得了可实现的最高输出功率P1。

因此，已经提出(Huang等人，Phys.Rev.STAB7，074401(2004))有意地将电子聚束的能量扩展增加到通过使用所谓激光加热器来实现最大输出功率的值。激光加热器由一个小的二次波荡器部分和一个与电子聚束共同传播的光学激光束组成。因激光器和波荡器场对电子束的组合作用导致电子聚束的能量扩展增加。尽管这种方法增加了实际可实现的自由电子激光器的输出功率，但是与具有低得多的能量扩展的聚束可以输入到波荡器24的情况相比，输出功率仍然显著降低。

在用于物理研究的自由电子激光器中发生类似的问题。已经提出(Behrens等人，Phys.Rev.STAB 15，022802(2012))在磁性聚束压缩机弯道的上游和下游使用两个横向偏转射频腔。第一横向偏转射频腔引入可逆的能量扩展，然后其可以通过第二横向偏转射频腔被去除。以这种方式，避免了微聚束不稳定，同时仍然在输送到波荡器的电子聚束中实现了窄的能量扩展。然而，所提出的布置将快速横向偏转射频腔放置在一系列直线加速器部分的中间。这种布置不能在加速和减速电子束都通过直线加速器共同传播的能量回收直线加速器中实现。

因此，本发明的一个实施例提供了一种自由电子激光器，包括：电子源，能够操作以产生包括电子聚束的上游电子束；束路径，被配置为：引导上游电子束通过：直线加速器系统、聚束压缩器和波荡器，以产生相干辐射；使离开波荡器的下游束以一相位与所述上游电子束平行地再循环通过所述直线加速器，使得下游束被直线加速器减速；并将下游束引导到束收集器；第一能量散布装置，能够操作以对电子聚束的能量分布进行可逆变化，并且在束路径中位于聚束压缩器之前的位置，使得其中仅通过上游电子束；第二能量散布装置能够操作以反转由第一束散布装置施加的电子聚束的能量分布的变化，第二束散布装置在束路径中位于波荡器之前的位置，使得其中仅通过上游电子束。

通过将第一能量散布装置在束路径上定位在聚束压缩器之前的靠前位置，使得其中仅通过上游电子束(在上游电子束的加速之前)，并且将第二能量散布装置定位在波荡器之前，通过使得它也仅通过上游电子束，可以引入可逆的能量扩展以避免聚束压缩器中的微聚束不稳定，然后在将电子聚束传递到波荡器之前将其移除以增加输出功率。在本发明的一个实施例中，可以实现输出功率增加约2倍或更多倍。

在一个实施例中，第二能量散布装置直接位于波荡器之前，例如，波荡器之前的最后一个弧与波荡器本身之间。

在一个实施例中，在直线加速器的部分之间以及从直线加速器到波荡器之间传送上游和下游电子束的弧被配置为用作聚束压缩器。

在本发明的一个实施例中，直线加速器系统包括第一直线加速器和第二直线加速器，使得上游电子束在第二直线加速器之前通过第一直线加速器，下游束在第一直线加速器之前通过第二直线加速器。在这样的布置中，第一能量散布装置可以位于第一直线加速器和第二直线加速器之间。第一个能量散布装置可以位于分离器之后，该分离器将下游分束转向到束收集器。

在一个实施例中，束路径被配置成在波荡器之前将上游电子束引导通过第一和第二直线加速器中的每一个多于一次，并且在收集器之前将下游电子束引导通过第一和第二直线加速器中的每一个多于一次。在这种布置中，第一能量散布装置理想地直接位于电子源之后，在第一直线加速器之前。

在一个实施例中，第一和第二能量散布装置中的每一个包括横向偏转射频(RF)腔。在一个实施例中，每个横向偏转RF腔被配置成使得当其中的磁场处于最小值，期望为零的时刻，电子聚束通过横向偏转RF腔。利用这样的时间安排，横向偏转RF腔不会偏转上游电子束，但是传播通过其中的电子经历平行于传播方向的电场，该电场在垂直于传播方向的方向上变化。因此，与聚束中的电子位置相关的能量扩展被赋予电子聚束。因此，通过赋予相反的能量扩展可以消除这种能量扩展。

在一个实施例中，第一和第二能量散布装置中的至少一个还可以以偏转模式操作，其中电子聚束偏转到诊断束路径。以这种方式，可以选择性地将电子聚束引导到诊断束路径而无需额外的硬件。特别地，通过适当控制RF场相对于聚束的电子束的电子聚束的相位，可以控制作为能量散布装置的横向偏转RF腔以偏转模式而不是能量扩展模式操作。

如图3所示，向电子聚束引入可逆能量扩展的第一能量散布装置可被直接定位在注入器21a、21b之后，在初始电子束EB1由组合器25与减速电子束EB4组合之前。对于该位置中的第一能量传播器，每个注入器21需要一个能量散布装置，但能量散布装置不是特别昂贵的硬件。替代地或另外地，第一能量散布装置50c可以定位在第一直线加速器22a和束分离器26之后，其将减速电子束EB4偏转到束收集器100。在两个位置中，第一能量散布装置在第一电弧28a之前，其可以配置为压缩电子聚束。

在图3所示的配置中，可以在波荡器24之前定位第二能量散布装置50d，其去除由第一能量散布装置50a、50b或50c引入的可逆能量扩展。具体地，第二能量散布装置50d可以定位在波荡器24之前的最后一个弧形部28b和波荡器24之间。弧形部28b可以配置成实现聚束压缩。

在图5中描绘了可用作本发明实施例中的第一能量散布装置或第二能量散布装置的横向偏转RF腔50。横向偏转RF腔包括围绕束路径并被多个光圈52分开的腔51。每个光圈具有用于束路径的中心孔，并且可以具有用于模式稳定的附加孔。RF源，例如速调管，产生适当频率的射频波(RF辐射)。射频波经由波导53馈送到横向偏转RF腔51中。波导53可以位于腔51的上游端或下游端。相位控制器(未示出)控制RF辐射相对于电子束中的结合的相位，反之亦然。

进入腔51的RF辐射建立了行进的电磁波，其布置成使得磁场垂直于电子通过腔的传播方向。在偏转模式中，电子聚束在磁场处于最大值的时刻通过腔51并因此经历侧向偏转。在能量扩展模式中，电子聚在横向磁场处于最小值(例如，零)的时刻通过腔51。此时，横向电场F存在于空腔中，并且增加在垂直于电子聚束的传播方向x的方向y上的振幅。这在图6中描绘，其还示出了电场F和电子聚束MB之间的关系。

横向偏转RF腔的其他设计，包括使用驻波而不是行波的设计，可以用在本发明的实施例中。

其效果在图7a，7b和7c中示出。图7a描绘了在垂直于束传播方向的方向上作为位置y的函数的聚束中电子的能量E的分布。由注入器21输出的聚束中的电子能量分布在一定范围dE1上，该范围希望尽可能小。图7b描绘了横向偏转RF腔的效果，其赋予电子加速或减速，这取决于它们的y位置。在该示例中，具有负y值(即，在聚束中心下方)的电子根据它们与聚束中心的距离被加速一定量，而具有正y值(即，在聚束中心上方)的电子根据它们与聚束中心的距离被减速一定量。如图7b所示，其效果是初始能量扩展被拉伸和旋转。这产生了有效的能量值范围dE2，其大于dE1，因此更能抵抗微聚束的不稳定性。图7c通过比较示出了使用激光加热器增加聚束的能量扩展的效果。能量被随机地引入聚束中的电子，因此能量分布扩展而与位置无关。因此不可能逆转能量扩展。利用横向偏转RF腔引入的能量扩展，能量与位置相关，因此效果可以被逆转。

图8示意性地描绘了本发明实施方案的过程。电子聚束由注入器21产生，然后由第一能量散布装置50a，50b或50c中的一个进行可逆能量扩展。具有能量分布的电子聚束通过直线加速器22加速并进行聚束压缩。聚束压缩可以例如通过在直线加速器的部分之间传输电子聚束的弧形部或通过专门为聚束压缩而提供的元件(例如，弯道)来实现。已经受到可逆能量扩展的电子聚束不会与具有较小能量扩展的电子聚束经历程度相同的微聚束不稳定，因为不均匀性的自放大被减小。局部密度集中之前的电子具有一定的能量范围，因此当它们受到压缩时，它们会回落到电子聚束中的一系列纵向位置，因此密度集中不会被放大。

在压缩之后，加速电子聚束通过经受第二能量散布装置50d的反向能量扩展。这施加与第一能量散布装置施加的电场相反的电场，并因此反转能量扩展效应。由第二能量散布装置施加的电场的幅度和/或梯度可以与第一能量散布装置施加的电场的幅度和/或梯度不同，以便由于电子聚束的横向尺寸的任何变化而具有与第一能量散布装置相同幅度的效果。应注意，如果电子聚束的能量扩展减小，则第二能量散布装置不需要精确地抵消第一能量散布装置的影响。然后将移除了能量扩展的电子聚束馈送到波荡器24。因为进入波荡器24的电子聚束具有窄的能量范围，所以输出功率高。

在本发明的一个实施例中，第一能量散布装置50a、50b或50c和第二能量散布装置50d中的至少一个可在诊断模式下操作，以将电子聚束引导到诊断束线中。在一个实施例中，第一和第二能量散布装置中的每一个可以以这种诊断模式操作。可以在每个能量散布装置处提供单独的诊断束线。诊断束线可包括测量电子聚束的一个或多个性质的诊断仪器，例如，它们的时间、能量、能量分布、空间分布等。

如果横向偏转RF腔用作能量散布装置，则腔可以通过改变腔中的RF辐射相对于束中的电子聚束的相位而操作在诊断模式下。例如，如果改变RF辐射的相位使得此时磁场处于最大值，则电子聚束传播通过设备，然后电子聚束中的电子在通过横向偏转RF腔时将经历横向偏转，因此可以被导向诊断束线。当整个自由电子激光器在诊断模式下操作时，可以使用能量散布装置的诊断模式。在诊断模式中，能量散布装置可以配置成将所有聚束偏转到诊断束线或将所需比例的束通过它。

图9描绘了根据本发明的实施例的另一种自由电子激光器。图9的自由电子激光器类似于图3的自由电子激光器之处在于，它使用直线加速器以从使用过的电子束EB3中回收能量，并将直线加速器系统分成两个单独的直线加速器22a、22b。然而，图9的自由电子激光器与图3的自由电子激光器的不同之处在于，加速电子束EB2和减速电子束EB4各自多次通过直线加速器22a、22b，例如两次。发送电子聚束多次通过直线加速器22a、22b允许它们使用较短的直线加速器加速到更高的能量。因为在加速和减速的不同阶段在第一和第二直线加速器22a、22b之间通过的电子聚束将具有不同的能量，所以必须提供连接第一和第二直线加速器22a、22b多个束路径以容纳能量不同的束。

图9的自由电子激光器适于使电子聚束在加速和减速中分别通过第一和第二直线加速器22a、22b两次。因此，第一弧形部28a被分成三个单独的束线28a1、28a2和28a3，以容纳能量不同的电子。同样，第三弧形部28d被分成三条束线28d1、28d2和28d3。图9描绘了束线28a1、28a2和28a3以及束线28d1、28d2和28d3，它们水平间隔开并具有不同的曲率半径。然而，这些束线可以具有相同的曲率半径，并且可以垂直堆叠而不是水平间隔开。

在图9的自由电子激光器中，在由注入器21产生的电子聚束与再循环加速和减速电子聚束组合并并进入第一直线加速器22a之前，在注入器21之后直接提供第一能量散布装置50a。第一能量散布装置50a以与上述相同的方式将可逆扩展引入电子聚束的能量分布中。第二能量散布装置50d位于束路径中紧邻波荡器24之前。第二能量散布装置50d能够操作以去除由第一能量散布装置50a引入的可逆能量扩展，如上所述。第二能量散布装置50d可以直接提供在配置为聚束压缩器的弯道31之后。如果将弧形部配置为作为压缩器，则可以省略弯道31。

应当理解，自由电子激光器的其他布置是可能的，并且第一能量散布装置和第二能量散布装置的不同位置可以适合于自由电子激光器的不同布置。

如上所述，可以通过人为地增加聚束的能量扩展来抑制微聚束不稳定。然而，这与在波荡器入口处具有尽可能低的能量扩展的要求相冲突。因此，本发明还提供了一种替代技术，用于抑制微聚束不稳定，同时避免增加初始能量扩展的需要。

微聚束不稳定过程涉及电子密度和电子能量的作为沿聚束的位置的函数的波动的自放大发展。通过聚束中电子的相互作用，如电荷排斥、密度波动，驱动能量波动的增长。加速器中的聚束压缩器驱动相反的过程并将能量波动转换为密度波动。两种机制的组合导致正反馈回路，其中密度和能量波动都被放大。结果，每个聚束片的能量扩展增加，影响FEL的性能。

在该实施例中，通过插入专用的“清洗”步骤来抑制微聚束不稳定过程，以消除聚束的长度上的密度和能量波动。冲洗步骤使聚束的每个电子沿z方向移动一段距离，该距离与电子的能量成比例。参考图10A至10C和图11A至11C示出了冲洗步骤的动作。

图10A示出了能量-位置参数空间中的电子密度(“纵向相空间”)。图11A示出了在施加冲洗步骤之后的相同相空间，其中z平移被施加到与它们各自的能量成比例的电子。图10B、10C和图11B、11C显示了冲洗步骤之前和之后的相应电子能量和密度分布。图10B和11B是图10A和11A在z轴上的投影，示出了作为z的函数的电子密度。图10C和11C是图10A和11A的垂直平均值，示出了作为z的函数的平均能量。显然，具有足够幅度的冲洗步骤完全抹去原始密度波动，否则原始密度波动将易于通过微聚束不稳定过程放大。在冲洗步骤之后，可以安全地进行聚束压缩，同时几乎没有微聚束不稳定的放大。

各种基本加速器段(例如，弯道、Z字形、弧形部和狗腿形)可以被配置为实现与能量成比例的z平移。这种效应幅度的通常量度是加速器区段的所谓R56参数。本发明的冲洗步骤可以通过将加速器区段配置为具有大的R56参数来完成。在带电粒子光学器件中，粒子聚束中单个粒子的位置和速度通常由六个坐标表示，对应于三维，每个维度有一个位置度量和一个速度度量。当粒子通过截面时，特定加速器部分对粒子的六个坐标的影响通常以线性近似来描述。例如，加速器部分的出口处的颗粒的传播方向z中的位置可以是

z＝R55*z0+R56*delta0，

其中z0是加速器部分的入口处的粒子在传播方向上的位置，delta0是粒子相对于聚束的平均能量的相对能量偏移，即

delta0＝(E0-<E>)/<E>.

上面的比例常数R55和R56是加速器部分的性质，并且被称为该部分的矩阵元素。总共有36个，并且通常编码为Rxy，其中x和y的数字范围从1到6。因此，R56参数(这里简称为R56)因此是部分的入口处的粒子的delta0与部分的出口处的粒子的z之间的比例常数。

已知使用具有大R56的加速器部件来压缩聚束电子。这是通过相比于束的后部(称为“向聚束增加啁啾”)略微更多地加速聚束的前部来完成的，之后具有大R56的加速器部件的效果是移动聚束的后部和前部更近。在本发明中，清洗步骤被配置为避免引起聚束压缩。因此，希望在冲洗步骤之前从聚束中移除啁啾。

因此，该实施例的方法包括以下步骤：

1.电子源

2.加速

3.从聚束中移除啁啾

4.冲洗步骤

5.在聚束中加啁啾

6.压缩阶段。

在具有加速和压缩两个步骤的FEL加速器中，上述方案可以应用于这些步骤中的任一个或两个步骤。

本发明的一个实施例中，可以如下估计所需R56效应的大小。微聚束不稳定衰减的众所周知的条件是：

exp[-1/2(k*R56*(σE/E))²]＜＜1， (3)

其中k＝2π/λ，其中λ是典型的密度波动长度，σE/E是相对能量扩展的幅度[DiMitrietal，Phys。PRSTAB13，010702(2010)]。通常在服务于辐射源的加速器中，对，最有问题的微聚束不稳定出现于λ小于约100μm的密度波动，引起容易超过约30keV的能量扩展σE(＝约3keV的散粒噪声水平的10倍)。利用这些假设，并假设束能量E为约1GeV，微聚束不稳定衰减标准需要几十厘米的R56。R56的这种大小可以容易地在诸如玩到的磁性部件中实现。在一个实施方案中，冲洗元件的R56在0.01m至2m的范围内，理想的是0.1m至1.0m。

基于使用大R56加速器区段的冲洗步骤的微聚束不稳定抑制，结合去啁啾聚束，已经被提出并且在之前针对线性、非能量回收加速器的具体情况进行实验证明[Di Mitri et al.，Phys.Rev.PRSTAB 13，010702(2010)；Di Mitri et al.，Phys.Rev.Lett.112，134802B]。然而，其中公开的布置不适用于能量回收直线加速器(ERL)。

高重复率ERL对施加实施冲洗步骤的特定要求以抑制微聚束不稳定。这是因为，在ERL的一部分中，减速聚束沿着与加速聚束相同的束管行进。然而，冲洗步骤专门用于仅作用于加速聚束。通常不能被准备为具有零啁啾的减速聚束将被冲洗元件积极地(去)压缩，如果它们也通过它的话。因此，只有加速的电子聚束才能通过冲洗元件。

在图12和13中，示出了ERL中的清除步骤的两个实现选项。所描绘的ERL与上面参考图3和9描述的ERL相同，因此为了简洁起见，不再描述相同的特征。

图12和13中所示的ERL包括连续的两个压缩和加速步骤，因此提供了两个冲洗步骤。应当理解，图12和13的布置可以容易地适应不同形式的ERL。在图12和13中，压缩发生在弧形部28a和28b中，这是要抑制微聚束不稳定的地方。在其他ERL设计中，例如，可以使用靠近弧形部的压缩弯道来完成压缩功能。

在图12的实施例中，第一直线加速器22a′和第二直线加速器22b′被配置为将聚束的啁啾设置为零，但是其它与上述直线加速器相同。散布装置部分60设置在第一直线加速器22a′和第一弧形部28a之间以及第二直线加速器22b′和第二弧形部28b之间。如上所述，散布装置部分60被调谐为具有非常大的R56，使得它们将起到执行冲洗步骤的作用。散布装置还可以实现其他束调节功能，例如分离加速和减速束。仅在加速聚束的路径中的散布装置60可以被配置为提供所需的R56，因此不会影响减速束。

在散布装置60之后提供附加的RF腔61，以向聚束提供啁啾，使得弧形部28a、28b可以压缩聚束。可以使用高次谐波腔(即，以直线加速器频率的整数倍操作的RF腔)。占用空间小于2米的3.9GHz谐波腔模块在E.Harms等人，Proc.SRF2009，MOOBAU01中公开。

图12的实施例可以实现抑制压缩阶段中的微聚束不稳定增益的主要目的。此外，啁啾功能从直线加速器转移到专用模块，增加了设计灵活性并放宽了对直线加速器设计的要求。此外，由于不需要直线加速器来使聚束啁啾，因此直线加速器可以完全在波峰上操作。这提供了将加速度梯度降低约10％(提高可用性)或将直线加速器的加速腔数减少约10％(降低成本和长度)的余量。

图12的实施例的可能效果是在导致零啁啾的设置中聚束被直线加速器加速，这被称为“峰上加速”。对于峰上加速，z-E相空间中的聚束分布获得相对大的曲率。当通过大的R56部分(例如冲洗步骤)时，具有大曲率的聚束可能会严重失真。然而，尽管与冲洗步骤相关的z平移在密度波动的尺度上很大，但是在聚束长度的尺度上仍然很小。因此，由峰上加速和冲洗步骤引起的聚束形状的变形非常温和。这在图14中示出，其示出了在冲洗步骤之前和之后的聚束形状的模拟结果，其考虑了由于峰上加速引起的曲率。

图13中描绘了本发明的另一个实施例。再次，该实施例类似于先前描述的实施例，除了下面提到的，并且为了简洁省略了对未改变部分的描述。

在图13的实施例中，短弯道70插入每个直线加速器22a和直线加速器22b的一个部分中。弯道70的第一磁体用作散布装置，其将加速和减速聚束分成单独的束管。加速聚束的路径被设置为具有大的R56，从而弯道70被配置为用作冲洗模块。减速聚束的路径设置为对聚束性质影响很小。在弯道70上游的直线加速器的一部分被调整为使加速聚束的啁啾归零，如冲洗弯道所需。图13的实施例具有仅使用无源磁性元件的益处，其通常非常可靠且便宜。可能的缺点是将附加功能组合到直线加速器中，这使得设计更受限制和不灵活。

因此，图12和13的实施例可以通过引导零啁啾聚束通过大R56“冲洗”元件来实现ERL中的微聚束不稳定抑制。有利地，微聚束不稳定冲洗功能被集成到ERL的散布装置弯道中。此外，除了直线加速器之外，这些实施例还可以通过使用专用的啁啾模块来分离ERL的加速功能和啁啾控制功能。

图12和13的实施例的主要优点是抑制ERL的压缩部分中的微聚束不稳定增益，从而增加FEL输出功率和稳定性。另外，图12的实施例提供的优点是，具有专用的啁啾腔使得直线加速器操作能够更接近波峰，从而提供余量以减小加速梯度，从而改善直线加速器寿命和可用性。或者，更接近波峰的直线加速器操作提供了缩短直线加速器的余量，从而降低了FEL加速器的成本和尺寸。

尽管所描述的光刻系统LS的实施例包括八个光刻设备LA1-LA8，但是根据本发明的实施例的光刻系统可包括任何数量的光刻设备。

根据本发明的实施例的光刻系统还可以包括一个或多个掩模检查设备。分束设备20可以将主辐射束BFEL，的一部分引导到掩模检查设备。掩模检查设备可以使用该辐射来照射掩模并使用成像传感器来监视从掩模MA反射的辐射。掩模检查设备可以包括光学器件(例如反射镜)，其被配置为从分束设备20接收分支辐射束并将辐射束引导到掩模。掩模检查设备还可包括光学器件(例如镜子)，其配置成收集从掩模反射的辐射并在成像传感器处形成掩模的图像。掩模检查设备可以类似于图2中所示的光刻设备LA1，其中衬底台WT被成像传感器替代。在一些实施例中，光刻系统可包括两个掩模检查设备以允许一些冗余。这可以允许在修理一个掩模检查设备或进行维护时使用另一个掩模检查设备。因此，总是有一个掩模检查设备可以被使用。掩模检查设备可以使用比光刻设备低的功率辐射束。

术语“EUV辐射”可以被认为包括波长在5-20nm范围内，例如在13-14nm范围内的电磁辐射。EUV辐射可以具有小于10nm的波长，例如在5-10nm的范围内，例如6.7nm或6.8nm。本发明还可以应用于用于产生EUV波长范围之外的辐射的自由电子激光器。

光刻设备LA1-LA8可以用于IC的制造。或者，本文描述的光刻设备LA1-LA8可以具有其他应用。可能的其他应用包括集成光学系统的制造、磁畴存储器的引导和检测图案、平板显示器、液晶显示器(LCD)、薄膜磁头等。

虽然上面已经描述了本发明的特定实施例，但是应该理解，本发明可以不同于所描述的方式实施。以上描述旨在说明而非限制。因此，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离下面陈述的权利要求的范围的情况下，可以对所描述的本发明进行修改。