TWI704736B - 自由電子雷射 - Google Patents

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TWI704736B TW105142405A TW105142405A TWI704736B TW I704736 B TWI704736 B TW I704736B TW 105142405 A TW105142405 A TW 105142405A TW 105142405 A TW105142405 A TW 105142405A TW I704736 B TWI704736 B TW I704736B
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喬漢那斯 安東尼司 傑瑞德思 亞克曼司
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Abstract

本發明係關於一種自由電子雷射，其包含可操作以產生包含電子聚束之一上游電子束的一電子源。一光束路徑經組態以將該上游電子束導向通過一線性加速器系統、一聚束壓縮機及一波盪器之各者以便產生相干輻射；用一相位平行於該上游電子束而使離開該波盪器之一下游光束再循環通過該線性加速器，以使得藉由該線性加速器而使該下游光束減速；及將該下游光束導向至一光束捕集器。一第一能量散佈機賦予對電子聚束之能量分佈的一可逆改變，且該第一能量散佈機位於在該聚束壓縮機之前的該光束路徑中之一位置處，以使得僅該上游電子束會傳遞通過該第一能量散佈機。一第二能量散佈機使對由該第一光束散佈機賦予之電子聚束之該能量分佈的該改變反轉，該第二光束散佈機位於在該波盪器之前的該光束路徑中之一位置處，以使得僅該上游電子束會傳遞通過該第二光束散佈機。

Description

自由電子雷射
本發明係關於一種自由電子雷射(FEL)。詳言之但並非獨佔式地，本發明係關於一種適合於供用於微影系統之輻射源使用的FEL。
微影裝置為經建構以將所要圖案施加至基板上之機器。微影裝置可用於(例如)積體電路(IC)之製造中。微影裝置可(例如)將圖案自圖案化器件(例如，光罩)投影至提供於基板上之輻射敏感材料(抗蝕劑)層上。
由微影裝置使用以將圖案投影至基板上之輻射的波長判定可形成於彼基板上之特徵的最小大小。相較於習知微影裝置(其可(例如)使用具有為193奈米之波長的電磁輻射)，使用為具有在5奈米至20奈米之範圍內的波長之電磁輻射之EUV輻射的微影裝置可用以在基板上形成較小特徵。
需要產生具有增加之功率以增加EUV微影之產出率的EUV輻射源。
根據一第一態樣，提供一種自由電子雷射，其包含：一電子源，其可操作以產生包含電子聚束之一上游電子束；一光束路徑，其經組態以將該上游電子束導向通過一線性加速器系統、一聚束壓縮機及一波盪器之各者以便產生相干輻射；用一相位平行於該上游電子束而使離開該波盪器之一下游光束再循環通過該線性加速器， 以使得藉由該線性加速器而使該下游光束減速；及將該下游光束導向至一光束捕集器；一第一能量散佈機，其可操作以賦予對電子聚束之能量分佈的一可逆改變，且該第一能量散佈機位於在該聚束壓縮機之前的該光束路徑中之一位置處，以使得僅該上游電子束會傳遞通過該第一能量散佈機；及一第二能量散佈機，其可操作以使對由第一光束散佈機賦予之電子聚束之該能量分佈的該改變反轉，第二光束散佈機位於在該波盪器之前的該光束路徑中之一位置處，以使得僅該上游電子束會傳遞通過第二光束散佈機。
根據一第二態樣，提供一種微影系統，其包含：一如上文所描述之自由電子雷射；及一或多個微影裝置。
根據一第三態樣，提供一種產生一輻射光束之方法，其包含：產生包含電子聚束之一上游電子束；經由一線性加速器來加速該上游電子束；壓縮該上游電子束之電子聚束；將該上游電子束導向通過一波盪器以產生相干輻射；將離開該波盪器之一下游電子束導向通過該線性加速器以形成一減速電子束；在該壓縮之前可逆地散佈僅該上游電子束之該等電子聚束的能量；及在該波盪器之前反轉該散佈。
根據一第四態樣，提供一種自由電子雷射，其包含： 一電子源，其可操作以產生包含電子聚束之一上游電子束；一光束路徑，其經組態以將該上游電子束導向通過一線性加速器系統、一聚束壓縮機及一波盪器之各者以便產生相干輻射；用一相位平行於該上游電子束而使離開該波盪器之一下游光束再循環通過該線性加速器，以使得藉由該線性加速器而使該下游光束減速；及將該下游光束導向至一光束捕集器；一解線性變頻器，其經組態以自上游光束之電子聚束移除線性變頻脈衝；一清除器件，其經組態以與該上游光束之該等電子聚束中之電子的能量成比例地使該等電子之一縱向位置移位；一線性變頻器，其經組態以將線性變頻脈衝添加至該上游光束之該等電子聚束；及一壓縮機，其經組態以壓縮該等電子聚束。
根據一第五態樣，提供一種產生一輻射光束之方法，其包含：產生包含電子聚束之一上游電子束；經由一線性加速器來加速該上游電子束；自該等電子聚束移除線性變頻脈衝；執行對該等電子聚束之一清除，該清除與該等電子聚束中之電子的能量成比例地使該等電子之一縱向位置移位；將線性變頻脈衝添加至該等電子聚束；壓縮該上游電子束之該等電子聚束；將該上游電子束導向通過一波盪器以產生相干輻射；及將離開該波盪器之一下游電子束導向通過該線性加速器以形成一減 速電子束。
以此方式，可避免電子束之微聚束(microbunch)不穩定性，且可獲得較高功率輸出。
8:開口
10:琢面化場鏡面器件
11:琢面化光瞳鏡面器件
13:鏡面
14:鏡面
21:噴射器
21a:噴射器
21b:噴射器
22a:第一線性加速器
22a':第一線性加速器
22b:第二線性加速器
22b':第二線性加速器
24:波盪器
25:電子束耦合器
26:光束轉向器/偶極分離器/光束分離器
27a:第一軌道彎道
28a:第一電弧
28a1:光束線
28a2:光束線
28a3:光束線
28b:第二電弧
28c:第三電弧
28d:第四電弧
28d1:光束線
28d2:光束線
28d3:光束線
29:組合器
30:散佈機
31:軌道彎道
50:橫向偏轉射頻空腔
50a:第一能量散佈機
50b:第一能量散佈機
50c:第一能量散佈機
50d:第二能量散佈機
51:空腔/橫向偏轉射頻空腔
52:虹膜
53:波導
60:散佈機區段
61:射頻空腔
70:軌道彎道
100:光束捕集器
Ba:輻射光束
Ba':輻射光束
Bb:輻射光束
Bh:輻射光束
BFEL:輻射光束/主光束/輸出光束
dE1:低初始能量散佈/範圍
dE2:較高初始能量散佈/能量值之有效範圍
dI:初始能量散佈
dU:波盪器處之能量散佈
E:能量
E1:第一能量
E2:第二能量
EB1:初始電子束
EB2:加速電子束
EB3:電子束
EB4:減速電子束
F:橫向電場
FEL:自由電子雷射
IL:照明系統
LA1:微影裝置
LA2:微影裝置
LA8:微影裝置
LS:微影系統
MA:圖案化器件/光罩
MB:電子聚束
MT:支撐結構
P:自由電子雷射之輸出功率
P1:最高可達成輸出功率
P2:高輸出功率
PS:投影系統
SO:輻射源
W:基板
WT:基板台
現在將參考隨附示意性圖式而僅作為實例來描述本發明之實施例，在該等圖式中：-圖1描繪根據本發明之一實施例的包含自由電子雷射之微影系統；-圖2描繪形成圖1之微影系統之部分的微影裝置；-圖3為可形成圖1之微影系統之部分之自由電子雷射的示意性說明；-圖4描繪電子聚束中之截塊能量散佈與自由電子雷射之輸出功率之間的關係；-圖5為橫向偏轉RF空腔之部分切開的示意性說明；-圖6描繪在t=0時電子聚束與圖5之橫向偏轉RF空腔中的橫向電場之間的關係；-圖7A至圖7C描繪依據電子聚束之橫向方向及在傳遞通過橫向場偏轉RF空腔之前、在傳遞通過橫向場偏轉RF空腔之後且在雷射加熱之後散佈的能量而變化的能量分佈；-圖8描繪對電子聚束執行以產生輻射之方法；-圖9為可形成圖1之微影系統之部分之另一自由電子雷射的示意性說明；-圖10之A至C描繪在清除步驟之前電子跨越能量及空間而在聚束中之分佈；-圖11之A至C描繪在清除步驟之後電子跨越能量及空間而在聚束中 之分佈；-圖12為可形成圖1之微影系統之部分之另一自由電子雷射的示意性說明；-圖13為可形成圖1之微影系統之部分之另一自由電子雷射的示意性說明；且-圖14之A及B描繪在能量-z相位空間中清除步驟對聚束形狀產生的效應。
圖1展示微影系統LS，其包含：輻射源SO、光束***裝置20及八個微影裝置LA1至LA8。輻射源SO包含自由電子雷射且經組態以產生極紫外線(EUV)輻射光束BFEL(其可被稱作主光束)。主輻射光束BFEL***成複數個輻射光束Ba至Bh(其可被稱作分支光束)，該複數個輻射光束Ba至Bh中之每一者係由光束***裝置20引導至微影裝置LA1至LA8中之一不同微影裝置。分支輻射光束Ba至Bh可自主輻射光束連續地***，其中每一分支輻射光束自主輻射光束自先前分支輻射光束之下游***。當為此狀況時，分支輻射光束可(例如)實質上彼此平行而傳播。
輻射源SO、光束***裝置20及微影裝置LA1至LA8可全部經建構及配置成使得其可與外部環境隔離。真空可提供於輻射源SO、光束***裝置20及微影裝置LA1至LA8中之至少部分中，以便最小化EUV輻射之吸收。微影系統LS之不同部分可具備處於不同壓力之真空(亦即，被保持處於低於大氣壓力之不同壓力)。
參看圖2，微影裝置LA1包含照明系統IL、經組態以支撐圖案化器件MA(例如，光罩)之支撐結構MT、投影系統PS，及經組態以支撐基板W 之基板台WT。照明系統IL經組態以調節由微影裝置LA1接收之分支輻射光束Ba，之後該分支輻射光束Ba入射於圖案化器件MA上。投影系統經組態以將輻射光束Ba'(現在由光罩MA而圖案化)投影至基板W上。基板W可包括先前形成之圖案。當為此狀況時，微影裝置LA1將經圖案化輻射光束Ba'與先前形成於基板W上之圖案對準。
雖然圖2僅展示微影裝置，但應理解，微影系統LS可包含其他工具，諸如，光罩檢測裝置。
由微影裝置LA1接收之分支輻射光束Ba自光束***裝置20通過照明系統IL之圍封結構中之開口8而傳遞至照明系統IL中。視情況，分支輻射光束Ba可經聚焦以在開口8處或附近形成中間焦點。
照明系統IL可包括琢面化場鏡面器件10及琢面化光瞳鏡面器件11。琢面化場鏡面器件10及琢面化光瞳鏡面器件11一起向輻射光束Ba提供所要橫截面形狀及所要角度分佈。琢面化場鏡面器件10及琢面化光瞳鏡面器件11可各自包含一可獨立移動鏡面陣列。琢面化場鏡面器件10及琢面化光瞳鏡面器件11可包含不同數目個獨立可移動鏡面。舉例而言，琢面化光瞳鏡面器件11可包含數目為琢面化場鏡面器件10之鏡面數目多達兩倍的鏡面。琢面化場鏡面器件10及琢面化光瞳鏡面器件11中之鏡面可具有任何合適形狀，例如，其可成大體上香蕉形。輻射光束Ba自照明系統IL傳遞且入射於由支撐結構MT固持之圖案化器件MA上。圖案化器件MA反射及圖案化輻射光束以形成經圖案化光束Ba'。除了琢面化場鏡面器件10及琢面化光瞳鏡面器件11以外或代替琢面化場鏡面器件10及琢面化光瞳鏡面器件11，照明系統IL亦可包括其他鏡面或器件。舉例而言，照明系統IL可包括一可獨立移動鏡面陣列。可獨立移動鏡面可(例如)量測為橫向小於1 毫米。可獨立移動鏡面可(例如)為MEMS器件。
在自圖案化器件MA反射之後，經圖案化輻射光束Ba'進入投影系統PS。投影系統PS包含複數個鏡面13、14，該複數個鏡面13、14經組態以將輻射光束Ba'投影至由基板台WT固持之基板W上。投影系統PS可將縮減因數應用於輻射光束，從而形成特徵小於圖案化器件MA上之對應特徵的影像。舉例而言，可應用為4之減小因數。儘管投影系統PS在圖2中具有兩個鏡面，但投影系統可包括任何數目個鏡面(例如，六個鏡面)。
輻射源SO包含根據本發明之一實施例的自由電子雷射FEL，該自由電子雷射FEL可操作以產生EUV輻射光束。視情況，輻射源SO可包含根據本發明之一實施例的多於一個自由電子雷射FEL。
輻射源SO可進一步包含光學件，該等光學件經配置以變更自自由電子雷射接收之輻射光束之橫截面的大小及/或形狀。
光學件可包含光束擴展光學件，該等光束擴展光學件經配置以增加由彼自由電子雷射輸出之輻射光束的橫截面面積。有利地，此情形減小光束擴展光學件下游之鏡面上的熱負荷。此情形可允許光束擴展光學件下游之鏡面具有較低規範、具有較小冷卻，且因此較不昂貴。另外或替代地，其可允許下游鏡面較接近於正入射角。光束***裝置20可包含經配置於光束BFEL之路徑中之複數個靜態提取鏡面，該複數個靜態提取鏡面將來自主光束BFEL之輻射沿著複數個分支輻射光束Ba至Bh導向。增加主光束BFEL之大小會縮減鏡面必須位於光束BFEL路徑中的準確度。因此，此情形允許由***裝置20更準確地***輸出光束BFEL。
輻射源SO可進一步包含形狀變更光學件，該等形狀變更光學件經配置以變更自自由電子雷射接收之輻射光束的橫截面形狀。形狀變更光學件 可包含一或多個散光或非球體光學元件。形狀變更光學件及光束擴展光學件可共用共同光學元件。
自由電子雷射包含電子源，該電子源可操作以產生聚束式相對論電子束，且聚束式相對論電子束經導向通過週期性磁場。週期性磁場係由波盪器產生且使電子遵循圍繞中心軸線之振盪路徑。由於由磁場造成之加速度，電子大體上在中心軸線之方向上自發地輻射電磁輻射。相對論電子與波盪器內之輻射相互作用。在某些條件下，此相互作用使電子一起聚束成微聚束，該等微聚束在波盪器內之輻射的波長下經調變，且刺激輻射沿著中心軸線之相干發射。
參看圖3，自由電子雷射(FEL)之主要組件為：噴射器21a、21b；第一線性加速器22a及第二線性加速器22b；波盪器24及光束捕集器100。噴射器21a、21b及線性加速器22a、22b可一起操作以產生相對論電子。
噴射器21a、21b經配置以產生具有第一能量E1之電子聚束的初始電子束EB1。提供兩個噴射器以用於冗餘，以使得當一個噴射器處於使用中時，可維修另一噴射器，且因此，有可能在必要時省略一個噴射器。噴射器21a、21b包含電子源，諸如，熱電子陰極或光電陰極及加速電場。較佳地，初始電子束EB1具有(例如)低於1毫米毫拉德之相對低發射率。第一能量E1可為(例如)大約5MeV至20MeV。第一能量E1可為大約10MeV至15MeV，其可較佳，此係因為其可允許初始電子束EB1之發射率保持低於1毫米毫拉德。電子束耦合器25(例如，偶極磁體系統)將初始電子束EB1耦合至第一線性加速器22a中。
初始電子束EB1係由第一線性加速器22a加速以形成加速電子束EB2。在一實施例中，第一線性加速器22a可包含：複數個共振空腔，其 沿著一共同軸線軸向地間隔；及一或多個射頻電源，其可操作以在電子聚束在其之間傳遞時沿著該共同軸線控制電磁場以便使每一電子聚束加速。共振空腔可為超導射頻空腔。有利地，此情形允許：以高作用區間循環施加相對大電磁場；較大光束孔徑，從而引起歸因於尾流場之較少損耗；且允許增加透射至光束(相對於經由空腔壁而耗散)之射頻能量之分率。替代地，共振空腔可通常為導電(亦即，未超導)射頻空腔且可由(例如)銅形成。亦可使用其他類型之線性加速器。
加速電子束EB2接著傳遞通過光束轉向器26(稍後將解釋其功能)及第一軌道彎道(chicane)27a(其補償光束轉向器26之效應)。加速電子束EB2接著傳遞通過第一電弧28a(其使光束方向改變約180度)且將加速電子束EB2遞送至第二線性加速器22b。第二線性加速器22b可具有相似於第一線性加速器22a之建構，且進一步使加速電子束EB2加速至第二較高能量E2。自由電子雷射包含兩個線性加速器以便使其整體佈局更緻密。必要時，可使用單一較長線性加速器來代替第一線性加速器22a及第二線性加速器22b。
加速電子束EB2接著傳遞通過第二電弧28b，第二電弧28b將加速電子束EB2遞送至波盪器24。波盪器24包含複數個磁體，該複數個磁體可操作以產生週期性磁場且經配置以便沿著週期性路徑來導引由噴射器21及線性加速器22產生之相對論電子。因此，電子大體上在波盪器24之中心軸線的方向上輻射電磁輻射。由電子遵循之路徑可為正弦且平坦的，其中電子週期性地橫穿中心軸線；或可為螺旋狀，其中電子圍繞中心軸線而旋轉。振盪路徑之類型可影響由自由電子雷射發射之輻射的偏振。舉例而言，造成電子沿著螺旋狀路徑傳播之自由電子雷射可產生橢圓形偏振輻 射，其對於藉由微影裝置LA1至LA8進行基板W之曝光而言可較佳。
波盪器24包含複數個區段，每一區段包含一週期性磁體結構。波盪器24可進一步包含用於重新聚焦加速電子束EB2之機構，諸如在一或多對鄰近區段中間的四極磁體。用於重新聚焦加速電子束EB2之機構可縮減電子聚束之大小，此情形可改良電子與波盪器24內之輻射之間的耦合，從而增加輻射之發射的刺激。
在電子移動通過波盪器24時，其與輻射之電場相互作用，從而與輻射交換能量。一般而言，除非條件接近於共振條件，否則在電子與輻射之間交換之能量的量將快速地振盪，該共振條件係由如下方程式給出：
Figure 105142405-A0305-02-0013-1
其中λ em 為輻射之波長、λ u 為波盪器週期、γ為電子之勞倫茲因數，且K為波盪器參數。A取決於波盪器24之幾何形狀：對於螺旋狀波盪器，A=1，而對於平面波盪器，A=2。實務上，每一電子聚束將具有一能量散佈，但可儘可能地最小化此散佈(藉由產生具有低發射率之加速電子束EB2)。波盪器參數K通常近似地為1且由下式給出：
Figure 105142405-A0305-02-0013-2
其中q及m分別為電荷及電子質量、B 0 為週期性磁場之振幅，且c為光速。
共振波長λ em 等於由移動通過波盪器24之電子自發地輻射之第一諧波波長。自由電子雷射FEL可在自放大受激發射(self-amplified stimulated emission；SASE)模式中操作。SASE模式中之操作可需要在加速電子束EB2進入波盪器24之前該加速電子束EB2中之電子聚束的低能量散佈。替代地，自由電子雷射FEL可包含可藉由波盪器24內之受激發射放大的種子 輻射源。
移動通過波盪器24之電子可使輻射之振幅增大，亦即，自由電子雷射FEL可具有非零增益。當方程式(1)之共振條件得以滿足時，自由電子雷射FEL之增益可為零。可在條件接近但稍微偏共振時達成最大增益。
電子與波盪器24內之輻射之間的相互作用產生加速電子束EB2中之電子聚束內的能量之散佈。可將射出波盪器24之電子束EB3視為具有能量之散佈的不同電子束，且可被稱作所使用的電子束。所使用的電子束EB3中之能量散佈取決於波盪器24之轉換效率。定量地，所使用的電子束EB3中之能量散佈的寬度可由波盪器24之轉換效率與第二能量E2之乘積給定。
在進入波盪器24時符合共振條件之電子將在其發射(或吸收)輻射時損耗(或取得)能量，使得共振條件不再得以滿足。因此，在一些實施例中，波盪器24可為楔形。亦即，週期性磁場之振幅及/或波盪器週期λ u 可沿著波盪器之長度變化以便在電子聚束經導引通過波紋機24時將該等電子聚束保持處於或接近於共振。應注意，電子與波盪器24內之輻射之間的相互作用產生電子聚束內之能量的散佈。波盪器24之漸狹可經配置以最大化處於或接近於共振之電子的數目。舉例而言，電子聚束可具有在峰值能量下處於峰值之能量分佈，且漸狹可經配置以在具有此峰值能量之電子經導引通過波盪器24時將該等電子保持處於或接近於共振。有利地，波盪器之漸狹具有用以顯著地增加轉換效率之能力。對楔形波盪器之使用可使轉換效率(亦即，轉換成輻射光束BFEL中之輻射的加速電子束EB2之能量的部分)增加大於為2之因數。波盪器之漸狹可藉由沿著波盪器之長度縮減波盪器參數K來達成。此可藉由使沿著波盪器之軸線之波盪器週期λ u 及/或磁場強度B 0 與電子聚束能量匹配以確保其處於或接近於共振條件來達成。以此方式 符合共振條件會增加發射輻射之頻寬。
輻射光束BFEL自波盪器24傳播。輻射光束BFEL包含EUV輻射。由自由電子雷射FEL輸出之EUV輻射光束BFEL可具有大體上圓形橫截面及高斯強度剖面。由EUV自由電子雷射產生之輻射光束通常具有相對小光展量。詳言之，由自由電子雷射FEL產生之EUV輻射光束BFEL具有顯著小於將由雷射產生電漿(LPP)源或放電產生電漿(DPP)源(其兩者皆在先前技術中為吾人所知)產生的EUV輻射光束之光展量的光展量。舉例而言，由自由電子雷射FEL產生之輻射光束BFEL可具有小於500微弧度(例如，小於100微弧度)之發散度，且可(例如)在其離開波盪器24時具有大約50微米之直徑。
自由電子雷射FEL之輸出功率可為大約數十千瓦特，以便支援用於八個EUV微影裝置LA1至LA8之高產出率。在此等功率下，因為由自由電子雷射FEL產生之輻射光束BFEL的初始直徑如此小，所以輻射光束Ba至Bh之功率密度將相當大。
為了使自由電子雷射FEL之輸出功率足夠支援用於複數個EUV微影裝置LA1至LA8之高產出率，自由電子雷射FEL可具有某些屬性。舉例而言，自第二線性加速器22b輸出之加速電子束EB2的第二能量E2可為大約500MeV至1000MeV。加速電子束EB2之功率可為大約1毫瓦至100毫瓦。加速電子束EB2之功率可藉由輸出EUV輻射光束BFEL之所要功率及波盪器24之轉換效率規定。對於自由電子雷射FEL之給定輸出功率，波盪器24之轉換效率愈高，噴射器21之電流將愈低。較高波盪器轉換效率及較低噴射器21電流可高度理想。
離開波盪器24之所使用的電子束EB3必須由捕集器100吸收。捕集器 100可包含足夠量之材料以吸收所使用的電子束EB3。材料可具有用於放射性之誘發的臨限能量。進入捕集器100之能量低於臨限能量的電子可僅產生γ射線簇射，但將不誘發任何顯著等級之放射性。材料可具有高臨限能量以用於因電子衝擊的放射性之誘發。舉例而言，光束捕集器可包含鋁(Al)，其具有大約17MeV之臨限能量。需要在所使用的電子束EB3中之電子進入捕集器100之前縮減該等電子的能量。此情形移除或至少減少自捕集器100移除及棄置放射性廢料之需要。此情形為有利的，此係由於放射性廢料之移除需要週期性地關閉自由電子雷射FEL且放射性廢料之棄置可為昂貴的且可具有嚴重環境影響。
在進入捕集器100之前，自所使用的電子束EB3擷取能量，亦即，使電子減速。電子之能量可縮減至低於10MeV，且較佳地，低於5MeV。有利地，低於此能量之電子不誘發光束捕集器100中之任何顯著放射性等級。在自由電子雷射FEL之操作期間，將存在γ輻射，但當電子射束E被切斷時，光束捕集器100將安全地處置。
使用第一線性加速器22a及第二線性加速器22b來使離開波盪器24之電子減速。亦即，用以使自噴射器21輸出之電子加速的第一線性加速器22a及第二線性加速器22b亦可用於減速。此配置被稱為能量恢復LINAC(ERL)。
離開波盪器24之電子聚束傳遞通過使該等電子聚束進入第二線性加速器22b之第三電弧28c，該等電子聚束相對於第二線性加速器22b中之射頻(RF)場具有大約180度之相位差。組合器29將所使用的電子束EB3與加速電子束EB2組合。在第二線性加速器22b中使所使用的電子束EB3減速以形成減速電子束EB4。
在第二線性加速器22b之出口處，必需使加速電子束EB2與減速電子束EB4分離。加速電子束EB2及減速電子束EB4沿著同一路徑傳播通過第二線性加速器22b。散佈機30使加速電子束EB2及減速電子束EB4分離。加速電子束EB2繼續進行至第二電弧28b，而減速電子束EB4傳遞通過第四電弧28d而至組合器29(上文所提及)。組合器29將減速電子束EB4與聚束式電子束EB1組合，且使其進入第一線性加速器22a，其中減速電子束EB4相對於第一線性加速器22a中之射頻(RF)場具有大約180度之相位差。因此，第一線性加速器22a藉由與第二線性加速器相同的機構而進一步使減速電子束EB4減速。
在第一線性加速器22a之出口處，使用偶極分離器26來使減速電子束EB4與加速電子束EB2分離，使得可將減速電子束發送至捕集器100，且加速光束EB2經由第一電弧28a而傳遞至第二線性加速器。偶極分離器簡單地跨越光束路徑施加均一磁場，從而使加速電子束及減速電子束彎曲。由偶極分離器26造成的至電子束之偏轉度取決於各別光束中之電子的能量。因此，加速電子束EB2僅偏轉少量，而減速電子束偏轉較大角度，且因此迅速實體地與加速電子束EB2分離，且接著可進一步轉向至捕集器100中而不會影響加速電子束EB2。替代地，消色差光束分離器(亦被稱作恩格(Enge)或普澤(Pretzel)磁體)可用以將減速電子束EB4與加速電子束EB2分離。
因此，可如下概述電子聚束之「壽命」：其在噴射器21a、21b中之一者中產生；由第一線性加速器22a加速且再次由第二線性加速器22b加速；在波盪器24中產生輻射；由第二線性加速器22b減速且再次由第一線性加速器22a減速；且最終在捕集器100中被吸收。在上文中，出於簡潔 起見已省略對用以連接光束路徑之部分的項目(諸如，軌道彎道及樓梯)的描述。傳播通過FEL之電子束在本文中被稱作直至(且包括)波盪器之上游電子束，且此後被稱作下游電子束。
由波盪器24產生之輻射光束BFEL之功率的重要因數為進入波盪器24之電子聚束的截塊能量散佈度(亦即，垂直於傳播方向之電子聚束之截塊內的電子能量的散佈度)。亦需要對能量沿著傳播方向之變化進行控制。較小能量散佈度(亦即，電子聚束中之較窄範圍的能量)提供較高輸出功率。因此，需要提供由噴射器21a、21b產生之電子聚束(接著使其在線性加速器22a、22b中加速)中的低能量散佈。另外，需要在電子聚束圍繞光束路徑前進時進一步壓縮該等電子聚束。在一實施例中，電弧28a及28b具有壓縮效應。
然而，若電子聚束具有過低初始能量散佈，則被稱為微聚束不穩定性之現象可在具有壓縮效應之器件中出現，例如，藉由使較高能量電子相較於較低電子選取更長路徑。微聚束不穩定性係極大地增加能量散佈之自放大程序。聚束中之電子密度的任何局域化增大會使在經增大密度區域之前的電子向前推送(加速)，而在密度的局域化增大之後的電子反向推送(減速)。該效應欲將密度不均勻性轉換成能量不均勻性，且反之亦然。
圖4在左側圖形中描繪初始能量散佈dI與波盪器處之能量散佈dU之間的關係，且在右側圖形中描繪波盪器處之能量散佈dU與FEL之輸出功率P之間的關係。在不存在微聚束不穩定性的情況下，初始能量散佈dI與波盪器處之能量散佈dU之間將存在單調關係。然而，微聚束不穩定性係不可避免的現象，且替代地引起在較高能量散佈下初始能量散佈dI與波盪器處之能量散佈dU之間的傾向於線性關係的關係，但在低能量散佈下，較低 初始能量散佈會產生較高的波盪器處之能量散佈。此情形係由圖4之左側圖形中的實曲線指示。因此，在不存在微聚束不穩定性的情況下，將預期低初始能量散佈dE1會引起高輸出功率P2。然而，歸因於微聚束不穩定性，此低初始能量散佈dE1會產生低輸出功率，且實務上，最高可達成輸出功率P1與較高初始能量散佈dE2一起獲得。
因此，已提出(黃等人，物理學，修訂版，STAB 7，074401(2004))藉由使用所謂的雷射加熱器來故意將電子聚束之能量散佈增大至達成最大輸出功率的值。雷射加熱器由與電子聚束共同傳播之光學雷射光束組合的較小次級波盪器區段組成。雷射與電子聚束上之波盪器場的組合式動作會引起電子聚束之能量散佈的增加。儘管此途徑會增加自由電子雷射之實際上可達成的輸出功率，但與在可將具有低得多的能量散佈之聚束輸入至波盪器24的情況下的案例相比較，仍然存在輸出功率的實質性縮減。
相似問題在用於物理學研究之自由電子雷射中出現。已提出(貝倫斯等人，物理學，修訂版，STAB 15，022802(2012))使用在磁性聚束壓縮機軌道彎道上游及下游之兩個橫向偏轉射頻空腔。第一橫向偏轉射頻空腔引入可逆能量散佈，可接著藉由第二橫向偏轉射頻空腔移除可逆能量散佈。以此方式，避免微聚束不穩定性，而仍然達成經遞送至波盪器之電子聚束中的較窄能量散佈。然而，所提出的配置將快速橫向偏轉射頻空腔置放於一系列線性加速器區段中間。此配置不能在能量恢復線性加速器中實施，在能量恢復線性加速器中，加速電子束及減速電子束兩者共同傳播通過線性加速器。
因此，本發明之一實施例提供一種自由電子雷射，其包含：一電子源，其可操作以產生包含電子聚束之一上游電子束；一光束路徑，其經組 態以將該上游電子束導向通過一線性加速器系統、一聚束壓縮機及一波盪器之各者以便產生相干輻射；用一相位平行於該上游電子束而使離開該波盪器之一下游光束再循環通過該線性加速器，以使得藉由該線性加速器而使該下游光束減速；及將該下游光束導向至一光束捕集器；一第一能量散佈機，其可操作以賦予對電子聚束之能量分佈的一可逆改變，且該第一能量散佈機位於在該聚束壓縮機之前的該光束路徑中之一位置，以使得僅該上游電子束會傳遞通過該第一能量散佈機；及一第二能量散佈機，其可操作以使對由第一光束散佈機賦予之電子聚束之該能量分佈的該改變反轉，第二光束散佈機位於在該波盪器之前的該光束路徑中之一位置，以使得僅該上游電子束會傳遞通過第二光束散佈機。
藉由將第一能量散佈機定位於在聚束壓縮機之前的光束路徑上之較早位置以使得僅上游電子束在其加速之前會傳遞通過第一能量散佈機，且將第二能量散佈機定位於波盪器之前以使得亦僅上游電子束會傳遞通過第二能量散佈機，有可能引入可逆能量散佈以避免光束壓縮機中之微聚束不穩定性且接著移除可逆能量散佈，之後將電子聚束遞送至波盪器以便增加輸出功率。在本發明之一實施例中，可達成輸出功率增加為約2或大於2之因數。
在一實施例中，第二能量散佈機直接位於波盪器之前，例如，在波盪器之前的最末電弧與波盪器自身之間。
在一實施例中，將上游電子束及下游電子束傳達於線性加速器的諸區段之間且將上游電子束及下游電子束自線性加速器傳達至波盪器的電弧經組態以充當聚束壓縮機。
在本發明之一實施例中，線性加速器系統包含第一線性加速器及第 二線性加速器，以使得上游電子束傳遞通過在第二線性加速器之前的第一線性加速器，且下游光束傳遞通過在第一線性加速器之前的第二線性加速器。在此配置中，第一能量散佈機可位於第一線性加速器與第二線性加速器之間。第一能量散佈機可位於使下游光束轉向至光束捕集器的分離器之後。
在一實施例中，光束路徑經組態以在波盪器之前多於一次將上游電子束導向通過第一線性加速器及第二線性加速器中之每一者，及在光束捕集器之前多於一次將下游電子束導向通過第一線性加速器及第二線性加速器中之每一者。在此配置中，第一能量散佈機理想地直接位於電子源之後、第一線性加速器之前。
在一實施例中，第一能量散佈機及第二能量散佈機中之每一者包含橫向偏轉射頻(RF)空腔。在一實施例中，每一橫向偏轉RF空腔經組態以使得在橫向偏轉RF空腔中之磁場處於最小值時，理想地為零，電子聚束傳遞通過該橫向偏轉RF空腔。在此時序的情況下，橫向偏轉RF空腔並未使上游電子束偏轉，而傳播通過橫向偏轉RF空腔之電子經歷平行於傳播方向之電場，電場在垂直於傳播方向之方向上變化。因此，向電子聚束賦予與聚束中之電子的位置相關的能量散佈。因此，可藉由賦予相反能量散佈而移除此能量散佈。
在一實施例中，第一能量散佈機及第二能量散佈機中之至少一者在偏轉模式中可進一步操作，其中使電子聚束偏轉至診斷光束路徑。以此方式，有可能在不要求額外硬體的情況下選擇性地將電子聚束導向至診斷光束路徑。詳言之，藉由對RF場相對於聚束式電子束之電子聚束的相位進行合適控制，可控制作為能量散佈機之橫向偏轉RF空腔以在偏轉模式而 非能量散佈模式中操作。
如圖3中所展示，將可逆能量散佈引入至電子聚束之第一能量散佈機可直接位於噴射器21a、21b之後、初始電子束EB1之前，初始電子束EB1係藉由組合器29而與減速電子束EB4組合。對於此部位中之第一能量散佈機，每一噴射器21需要一個能量散佈機，但能量散佈機並非一件特別昂貴的硬體。替代地或另外，可將第一能量散佈機50c定位於第一線性加速器22a及光束分離器26(其使減速電子束EB4轉向至光束捕集器100)之後。在該兩個部位中，第一能量散佈機係在第一電弧28a之前，第一能量散佈機可經組態以壓縮電子聚束。
在圖3中所展示之組態中，移除由第一能量散佈機50a、50b或50c引入之可逆能量散佈的第二能量散佈機50d可位於波盪器24之前。詳言之，第二能量散佈機50d可位於電弧28b(其為在波盪器24之前的最末電弧)與波盪器24之間。電弧28b可經組態以實現聚束壓縮。
圖5中描繪可用作本發明之一實施例中的第一能量散佈機或第二能量散佈機的橫向偏轉RF空腔50。橫向偏轉RF空腔包含環繞光束路徑且由數個虹膜52劃分之空腔51。每一虹膜具有用於光束路徑之中心孔徑，且可具有用於模式穩定之額外孔徑。RF源(例如，速調管)產生具有適當頻率之射頻波(RF輻射)。經由波導53將射頻波饋入至橫向偏轉RF空腔51中。波導53可位於空腔51之上游末端或下游末端處。相位控制器(未展示)控制RF輻射相對於電子束中之鍵的相位，或反之亦然。
被饋入至空腔51中之RF輻射建立經配置以使得磁場垂直於電子傳播通過空腔之方向的行進電磁波。在偏轉模式中，電子聚束在磁場處於最大值時傳遞通過空腔51，且因此經歷側向偏轉。在能量散佈模式中，電子聚 束在橫向磁場處於最小值(例如，零)時傳遞通過空腔51。此時，橫向電場F存在於空腔中且在方向y上之量值方面增加，方向y垂直於電子聚束之傳播的方向x。圖6中描繪此情形，圖6亦展示電場F與電子聚束MB之間的關係。
可在本發明之一實施例中使用橫向偏轉RF空腔之其他設計，包括使用駐波而非行進波之設計。
在圖7a、圖7b及圖7c中展示此情形之效應。圖7a描繪依據在垂直於光束之傳播方向的方向上之位置y而變化的聚束中之電子之能量E的分佈。由噴射器21輸出之聚束中之電子的能量跨越特定範圍dE1分佈，特定範圍dE1理想地儘可能小。圖7b描繪取決於電子之y位置的向電子賦予一或減速之橫向偏轉RF空腔的效應。在此實例中，具有負y值(亦即，在聚束中心下方)之電子取決於其距聚束中心之距離而加速一定量，而具有正y值(亦即，在聚束中心上方)之電子取決於其距聚束中心之距離而減速一定量。圖7b中描繪的此情形之效應為：初始能量散佈經沿展及旋轉。此效應產生能量值之有效範圍dE2，其大於dE1，且因此對微聚束不穩定性更具耐受性。圖7c展示作為比較，使用雷射加熱器來增加聚束之能量散佈的效應。隨機地將能量引入至聚束中之電子，且因此，能量分佈擴展而不與位置相關。因此，不可能使能量散佈反轉。在藉由橫向偏轉RF空腔引入能量散佈的情況下，能量與位置相關，且因此，可使效應反轉。
圖8示意性地描繪本發明之一實施例的程序。電子聚束係由噴射器21產生，且接著經受第一能量散佈機50a、50b或50c中之一者進行的可逆能量散佈。已使其能量分佈散佈之電子聚束係由線性加速器22加速，且經受聚束壓縮。可(例如)藉由將電子聚束傳送於線性加速器之諸區段之間的電 弧或藉由專門提供聚束壓縮之諸如軌道彎道的元件來實現聚束壓縮。已經受可逆能量散佈之電子聚束並未在與具有較小能量散佈之電子聚束相同的程度上經歷微聚束不穩定性，此係因為不均勻性之自放大經縮減。在局域密度濃度之前的電子具有能量範圍，且因此當經受壓縮時，電子後降至電子聚束中之縱向位置範圍，且因此密度濃度並未放大。
在壓縮之後，加速電子聚束經受第二能量散佈機50d進行的反向能量散佈。此情形施加與第一能量散佈機施加之電場相對的電場，且因此逆轉能量散佈效應。因為電子聚束之橫向大小的任何改變，由第二能量散佈機施加之電場的量值及/或提梯度可不同於由第一能量散佈機施加之電場的量值及/或梯度，以便具有與第一能量散佈機之量值相同的量值的效應。應注意，第二能量散佈機無需精確地抵消第一能量散佈機之效應，其限制條件為電子聚束之能量散佈經縮減。接著將已使能量散佈移除之電子聚束饋入至波盪器24。因為進入波盪器24之電子聚束具有較窄範圍之能量，所以輸出功率較高。
在本發明之一實施例中，第一能量散佈機50a、50b或50c及第二能量散佈機50d中之至少一者可在診斷模式中操作以將電子聚束導向至診斷光束線中。在一實施例中，第一能量散佈機及第二能量散佈機中之每一者可在此診斷模式中操作。可將單獨診斷光束線提供於能量散佈機中之每一者處。診斷光束線可包括量測電子聚束之一或多個屬性(例如，其時序、能量、能量分佈、空間分佈等等)的診斷儀器。
若橫向偏轉RF空腔用作能量散佈機，則可藉由變更空腔中之RF輻射相對於光束中之電子聚束的相位而使空腔在診斷模式中操作。舉例而言，若RF輻射之相位發生變化以使得彼時磁場處於最大值，則電子聚束傳播 通過裝置，接著電子聚束中之電子將在傳遞通過橫向偏轉RF空腔時經歷橫向偏轉，且因此可被導引至診斷光束線。可在於診斷模式中操作整個自由電子雷射時使用能量散佈機之診斷模式。在診斷模式中，能量散佈機可經組態以使所有聚束偏轉至診斷光束線或傳遞通過診斷光束線之聚束的比例。
圖9描繪根據本發明之一實施例的另一自由電子雷射。圖9之自由電子雷射相似於圖3之自由電子雷射，原因在於圖9之自由電子雷射使用線性加速器來使能量自所使用的電子束EB3恢復且將線性加速器系統劃分成兩個分離線性加速器22a、22b。然而，圖9之自由電子雷射不同於圖3之自由電子雷射，原因在於加速電子束EB2及減速電子束EB4各自多次傳遞通過線性加速器22a、22b，例如，兩次。多次將電子聚束發送通過線性加速器22a、22b允許使用較短線性加速器來使電子聚束加速至較高能量。因為在加速及減速中在不同階段在第一線性加速器22a與第二線性加速器22b之間傳遞的電子聚束將具有不同能量，所以必需提供鏈接第一線性加速器22a及第二線性加速器22b以容納具有不同能量之光束的多個光束路徑。
圖9之自由電子雷射經調適成兩次將電子聚束傳遞通過第一線性加速器22a及第二線性加速器22b，一次在加速中，一次在減速中。因此，將第一電弧28a劃分成三個分離光束線28a1、28a2及28a3以容納具有不同能量之電子。類似地，將第四電弧28d劃分成三個光束線28d1、28d2及28d3。圖9描繪水平地間隔開且具有不同曲率半徑之光束線28a1、28a2及28a3以及光束線28d1、28d2及28d3。然而，此等光束線可具有相同曲率半徑，且可垂直地堆疊而非水平地間隔開。
在圖9之自由電子雷射中，直接將第一能量散佈機50a提供於噴射器21之後、由噴射器21產生的電子聚束之前，由噴射器21產生的電子聚束與再循環加速電子聚束及減速電子聚束組合且進入第一線性加速器22a中。第一能量散佈機50a以與上文所描述之方式相同的方式將可逆散佈引入至電子聚束之能量分佈中。將第二能量散佈機50d定位於緊接在波盪器24之前的光束路徑中。第二能量散佈機50d可操作以移除如上文所描述之由第一能量散佈機50a引入的可逆能量散佈。可直接將第二能量散佈機50d提供於經組態為聚束壓縮機的軌道彎道31之後。可在電弧經組態以充當壓縮機的情況下省略軌道彎道31。
應瞭解，自由電子雷射之其他配置係可能的，且在自由電子雷射之不同配置中，第一能量散佈機及第二能量散佈機之不同位置可為適當的。
如上文所指示，可藉由人工增加聚束之能量散佈來抑制微聚束不穩定性。然而，此與在波盪器之入口處具有儘可能低之能量散佈的要求衝突。因此，本發明亦提供一種用以抑制微聚束不穩定性同時避免增加初始能量散佈之需要的替代技術。
微聚束不穩定性程序涉及依據沿著聚束之位置而變化的電子密度及電子能量兩者之自放大波動發展。經由聚束中之電子的相互作用(諸如，電荷排斥)，密度波動驅動能量波動之成長。加速器中之聚束壓縮機驅動相反程序且將能量波動轉換成密度波動。兩個機構之組合產生密度波動及能量波動兩者皆放大的正回饋迴路。因此，每一聚束截塊之能量散佈得以增加，從而影響FEL之效能。
在此實施例中，藉由***專用「清除」步驟以抹掉遍及聚束長度之密度波動及能量波動來抑制微聚束不穩定性程序。清除步驟使聚束中之每 一電子沿著z方向移動，歷經與電子能量成比例之距離。參考圖10A至圖10C及圖11A至圖11C說明清除步驟之動作。
圖10A展示電子在能量-位置參數空間(「縱向相位空間」)中之密度。圖11A展示在應用清除步驟之後的同一相位空間，其中向與其個別能量成比例之電子施加z平移。圖10B、圖10C及圖11B、圖11C展示在清除步驟之前及之後的對應電子能量及密度剖面圖。圖10B及圖11B係圖10A及圖11A至z軸上的投影，其將電子密度展示為z之函數。圖10C及圖11C係圖10A及圖11A之垂直平均值，其將平均能量展示為z之函數。清楚地，具有足夠振幅之清除步驟完全抹掉將以其它方式易於藉由微聚束不穩定性程序進行放大之原始密度波動。在清除步驟之後，可在少量微聚束不穩定性放大的情況下安全地進行聚束壓縮。
各種基本加速器區段(諸如軌道彎道、z形、電弧及急轉彎)可經組態以實現與能量成比例之z平移。用於此效應之振幅的常見度量為加速器區段之所謂的R56參數。可藉由組態加速器區段以具有大R56參數來完成本發明之清除步驟。在帶電粒子光學件中，粒子聚束中之個別粒子的位置及速度通常表示為六個座標，其對應於三個維度，每維度具有一個位置度量及一個速度度量。常常以線性近似的形式描述在粒子穿過特定加速器區段時該區段對粒子之六個座標產生的效應。舉例而言，在加速器區段之出口處在粒子之傳播方向z上的位置可為z=R55*z0+R56*△0，其中z0為在加速器區段之入口處在粒子之傳播方向上的位置，且△0為粒子相對於聚束之平均能量的相對能量偏移，亦即△0=(E0-<E>)/<E>。
上文的比例常數R55及R56係加速器區段之屬性，且被稱為區段之矩陣要素。總之，其中存在36個要素，且通常被編碼為Rxy，其中x數字及y數字介於1至6之範圍內。因此，R56參數(在本文中僅被稱作R56)係介於區段之入口處的粒子之△0與區段之出口處的粒子之z之間的比例常數。
已知使用具有大R56之加速器部分來壓縮電子聚束。藉由使聚束之前部稍微加速大於聚束之該(其被稱為「向聚束添加線性變頻脈衝」)而進行此壓縮，之後具有大R56之加速器部分的效應欲使聚束之背部及前部移動得彼此更接近。在本發明中，清除步驟經組態以避免引起聚束壓縮。因此，需要在清除步驟之前自聚束移除線性變頻脈衝。
因此，此實施例之方法包括以下步驟：
1.電子源
2.加速
3.對聚束解線性變頻
4.清除步驟
5.對聚束線性變頻
6.壓縮階段。
在具有加速及壓縮兩個步驟之FEL加速器中，可將以上方案應用於此等步驟中之任一者或兩者。
在本發明之一實施例中，可如下估計所需R56效應之量值。用於微聚束不穩定性減幅之熟知條件為：exp[-½(k*R56*(σE/E))2]<<1， (3)
其中k=2π/λ，其中λ為密度波動之典型長度，且σE/E為相對能量散佈之振幅[迪．米特里等人，物理學，修訂版，PRSTAB 13，010702 (2010)]。通常，在伺服輻射源之加速器中，最成問題之微聚束不穩定性針對λ小於約100微米之密度波動發生，從而誘發容易地超過約30keV(=約3keV之散粒雜訊等級的10倍)之能量散佈σE。在此等假定的情況下，且假定光束能量E為約1GeV，微聚束不穩定性減幅準則要求為數十公分之R56。在諸如軌道彎道之磁性部分中可易於達成為R56之此量值。在一實施例中，清除元件具有介於0.01公尺至2公尺之範圍內的R56，理想地為0.1公尺至1.0公尺。
已提出使用大R56加速器區段之基於清除步驟的微聚束不穩定性抑制(其與經解線性變頻聚束組合)，且之前已針對線性非能量恢復加速器[迪．米特里等人，物理學，修訂版，PRSTAB 13，010702(2010)；迪．米特里等人，物理學，修訂版，快報，112，134802B]之特定案例而以實驗方式證實。然而，在其中所揭示之配置並不適合於能量恢復線性加速器(ERL)。
高重複率ERL針對清除步驟之實施強加特定要求以抑制微聚束不穩定性。此係因為，在ERL之部分中，減速聚束沿著與加速聚束相同之光束管前進。然而，清除步驟專門意欲僅作用於加速聚束。在減速聚束(一般而言，其不能製備成具有零線性變頻脈衝)亦傳遞通過的情況下，將藉由清除元件來強力地壓縮(解壓縮)該等減速聚束。因此，應僅將加速電子聚束引導通過清除元件。
在圖12及圖13中，展示ERL中針對清除步驟的兩個實施選項。所描繪之ERL係與上文參考圖3及圖9所描述之ERL相同，以使得出於簡潔起見，並未再次描述相同特徵。
圖12及圖13中所展示之ERL包括連續的兩個壓縮步驟及加速步驟， 因此提供兩個清除步驟。應瞭解，圖12及圖13之配置可易於經調適成具有不同形式之ERL。在圖12及圖13中，壓縮在電弧28a及28b中發生，電弧28a及28b係欲抑制微聚束不穩定性之處。舉例而言，在其他ERL設計中，可替代地使用接近於電弧之壓縮軌道彎道來完成壓縮功能。
在圖12之實施例中，第一線性加速器22a'及第二線性加速器22b'經組態以將聚束之線性變頻脈衝設定為零，但否則與上文所描述之線性加速器相同。將散佈機區段60提供於第一線性加速器22a'與第一電弧28a之間及第二線性加速器22b'與第二弧線28b之間。調諧散佈機區段60以具有極大R56，如上文所描述，以使得散佈機區段60將作用於執行清除步驟。散佈機亦可滿足其他光束調節功能，諸如分離加速光束及減速光束。加速聚束之路徑中的散佈機60僅可經組態以提供所要求之R56，因此將不會影響減速聚束。
將額外RF空腔61提供於散佈機60之後以向聚束添加線性變頻脈衝，使得電弧28a、28b可壓縮聚束。可使用較高諧波空腔(亦即，在線性加速器頻率之整數倍數下操作之RF空腔)。在E．哈姆斯等人，會刊，SRF2009，MOOBAU01中揭示佔據面積小於2公尺之3.9GHz諧波空腔模組。
圖12之實施例可達成抑制壓縮階段中之微聚束不穩定性增益的主要目的。另外，將線性變頻脈衝功能自線性加速器移動至專用模組，從而增加設計可撓性且放鬆針對線性加速器設計之要求。此外，因為並未要求線性加速器對聚束線性變頻，所以可完全峰上(on crest)操作線性加速器。此提供用以使加速梯度降低約10%(改良可用性)或使線性加速器之加速空腔的數目減少約10%(降低成本及長度)的容限。
圖12之實施例的可能效應為聚束係由產生零線性變頻脈衝之設置中的線性加速器加速，其被稱為「峰上加速」。對於峰上加速，z-E相位空間中之聚束分佈獲取相對大的曲率。有可能的是，具有大曲率之聚束在傳遞通過大R56區段時(諸如清除步驟)將嚴重變形。然而，儘管與清除步驟相關聯之z平移在密度波動之規模上較大，但其在聚束長度之規模上仍然較小。因為此情形，所以由峰上加速及清除步驟造成的聚束形狀之畸變極溫和。此在圖14中經展示，圖14展示在考慮歸因於峰上加速之曲率的情況下，聚束形狀在清除步驟之前及之後的模擬結果。
圖13中描繪本發明之另一實施例。再次，此實施例相似於先前所描述之實施例，如下文所提及那樣節約，且為簡潔起見省略對未改變部分之描述。
在圖13之實施例中，將短軌道彎道70***於線性加速器22a及線性加速器22b中之每一者的一個區段中。軌道彎道70之第一磁體充當將加速聚束及減速聚束分離單獨光束管之散佈機。設置加速聚束之路徑以具有大R56，且藉此軌道彎道70經組態以充當清除模組。設置減速聚束之路徑以對聚束屬性具有較小影響。如為清除軌道彎道所需要，將在軌道彎道70上游之線性加速器的部分調諧為加速聚束之零線性變頻脈衝。圖13之實施例具有僅使用被動磁性元件之益處，被動磁性元件通常極可靠且廉價。可能的缺點為：將額外功能組合至線性加速器中，其使得設計更具限定性及非撓性。
因此，圖12及圖13之實施例可藉由將零線性變頻脈衝聚束引導通過大R56「清除」元件而達成ERL中之微聚束不穩定性抑制。有利地，將微聚束不穩定性清除功能性整合至ERL之散佈機軌道彎道中。此外，此等實 施例可藉由使用除了線性加速器以外的專用線性變頻器模組來分離加速及對ERL之線性變頻脈衝控制的功能。
圖12及圖13之實施例的主要優點為對ERL之壓縮部分中的微聚束不穩定性增益的抑制，藉此增加FEL輸出功率及穩定性。另外，圖12之實施例提供具有專用線性變頻器空腔之優點，實現更接近於頂峰之線性加速器操作，從而提供用以縮減加速梯度之容限，且藉此改良線性加速器壽命及可用性。替代地，更接近於頂峰之線性加速器操作提供用以縮短線性加速器、縮減FEL加速器之成本及大小的容限。
儘管微影系統LS之所描述實施例包含八個微影裝置LA1至LA8，但根據本發明之一實施例的微影系統可包含任何數目個微影裝置。
根據本發明之一實施例之微影系統可進一步包含一或多個光罩檢測裝置。光束***裝置20可將主輻射光束BFEL之一部分導向至光罩檢測裝置。光罩檢測裝置可使用此輻射以照明光罩且使用成像感測器以監視自光罩MA反射之輻射。光罩檢測裝置可包括經組態以自光束***裝置20接收分支輻射光束且將輻射光束導向於光罩處之光學件(例如，鏡面)。光罩檢測裝置可進一步包括經組態以收集自光罩反射之輻射且在成像感測器處形成光罩之影像的光學件(例如，鏡面)。該光罩檢測裝置可相似於圖2中所展示之微影裝置LA1，其中用成像感測器來替換基板台WT。在一些實施例中，為允許一些冗餘，微影系統可包含兩個光罩檢測裝置。此情形可允許在一個光罩檢測裝置被修復或經歷維修時使用另一光罩檢測裝置。因此，一個光罩檢測裝置始終可供使用。相較於微影裝置，光罩檢測裝置可使用較低功率輻射光束。
術語「EUV輻射」可被認為涵蓋具有在5奈米至20奈米之範圍內(例 如，在13奈米至14奈米之範圍內)之波長的電磁輻射。EUV輻射可具有小於10奈米之波長，例如，在5奈米至10奈米之範圍內的波長，諸如，6.7奈米或6.8奈米。亦可將本發明應用於用以產生在EUV波長範圍外部之輻射的自由電子雷射中。
微影裝置LA1至LA8可用於IC之製造中。替代地，本文中所描述之微影裝置LA1至LA8可具有其他應用。可能之其他應用包括製造整合式光學系統、用於磁疇記憶體之導引及偵測圖案、平板顯示器、液晶顯示器(LCD)、薄膜磁頭等等。
雖然上文已描述本發明之特定實施例，但應將瞭解，可以與所描述不同之其他方式來實踐本發明。以上描述意欲為說明性而非限制性的。因此，對於熟習此項技術者將顯而易見，可在不脫離下文所闡明之申請專利範圍之範疇的情況下對所描述之本發明進行修改。
21a‧‧‧噴射器
21b‧‧‧噴射器
22a‧‧‧第一線性加速器
22b‧‧‧第二線性加速器
24‧‧‧波盪器
25‧‧‧電子束耦合器
26‧‧‧光束轉向器/偶極分離器/光束分離器
27a‧‧‧第一軌道彎道
28a‧‧‧第一電弧
28b‧‧‧第二電弧
28c‧‧‧第三電弧
28d‧‧‧第四電弧
29‧‧‧組合器
30‧‧‧散佈機
50a‧‧‧第一能量散佈機
50b‧‧‧第一能量散佈機
50c‧‧‧第一能量散佈機
50d‧‧‧第二能量散佈機
100‧‧‧光束捕集器
BFEL‧‧‧輻射光束/主光束/輸出光束
EB1‧‧‧初始電子束
EB2‧‧‧加速電子束
EB3‧‧‧電子束
EB4‧‧‧減速電子束
FEL‧‧‧自由電子雷射

Claims (21)

  1. 一種自由電子(free electron)雷射，其包含：一電子源，其可操作以產生包含電子聚束(bunches)之一上游(upstream)電子束；一光束路徑，其經組態以將該上游電子束導向通過一線性加速器系統(linear accelerator system)、一聚束壓縮機(bunch compressor)及一波盪器(undulator)以便產生相干輻射(coherent radiation)；用一相位平行於該上游電子束而使離開該波盪器之一下游光束再循環通過該線性加速器系統，以使得藉由該線性加速器系統而使該下游光束減速；及將該下游光束導向至一光束捕集器(beam dump)；一第一能量散佈機，其可操作以賦予對電子聚束之能量分佈的一可逆(reversible)改變，且該第一能量散佈機位於在該聚束壓縮機之前的該光束路徑中之一位置處，以使得僅該上游電子束會傳遞通過該第一能量散佈機；及一第二能量散佈機，其可操作以使對由該第一能量散佈機賦予之電子聚束之該能量分佈的該改變反轉，該第二能量散佈機位於在該波盪器之前的該光束路徑中之一位置處，以使得僅該上游電子束會傳遞通過該第二能量散佈機。
  2. 如請求項1之自由電子雷射，其中該第二能量散佈機直接位於該波盪器之前。
  3. 如請求項1或2中任一項之自由電子雷射，其中該光束路徑包含一或多個電弧，且該等電弧經組態以充當該聚束壓縮機。
  4. 如請求項1或2之自由電子雷射，其中該線性加速器系統包含配置於該光束路徑中之一第一線性加速器及一第二線性加速器，以使得該上游電子束傳遞通過在該第二線性加速器之前的該第一線性加速器，且該下游光束傳遞通過在該第一線性加速器之前的該第二線性加速器。
  5. 如請求項4之自由電子雷射，其中該第一能量散佈機位於該第一線性加速器與該第二線性加速器之間。
  6. 如請求項4之自由電子雷射，其中該光束路徑經組態以在該波盪器之前多於一次地將該上游電子束導向通過該第一線性加速器及該第二線性加速器中之每一者，及在該光束捕集器之前多於一次地將下游電子束導向通過該第二線性加速器及該第一線性加速器中之每一者。
  7. 如請求項1或2之自由電子雷射，其中該第一能量散佈機直接位於該電子源之後。
  8. 如請求項1或2之自由電子雷射，其中該第一能量散佈機及該第二能量散佈機中之每一者包含一橫向偏轉RF空腔。
  9. 如請求項8之自由電子雷射，其中每一橫向偏轉RF空腔經組態以使得 在該橫向偏轉RF空腔中之磁場處於一最小值時，電子聚束傳遞通過該橫向偏轉RF空腔。
  10. 如請求項1或2之自由電子雷射，其中該第一能量散佈機及該第二能量散佈機中之至少一者可進一步在一偏轉模式下操作，其中該第一能量散佈機及該第二能量散佈機中之至少一者使電子聚束偏轉至一診斷光束路徑。
  11. 一種自由電子雷射，其包含：一電子源，其可操作以產生包含電子聚束之一上游電子束；一光束路徑，其經組態以將該上游電子束導向通過一線性加速器系統、一聚束壓縮機及一波盪器以便產生相干輻射；用一相位平行於該上游電子束而使離開該波盪器之一下游光束再循環通過該線性加速器系統，以使得藉由該線性加速器系統而使該下游光束減速；及將該下游光束導向至一光束捕集器；一解線性變頻器(de-chirper)，其經組態以自該上游電子束之電子聚束移除線性變頻脈衝(chirp)；一清除(washout)器件，其經組態以與該上游電子束之該等電子聚束中之電子的能量成比例地使該等電子之一縱向位置移位；一線性變頻器，其經組態以將線性變頻脈衝添加至該上游電子束之該等電子聚束；及一壓縮機，其經組態以壓縮該等電子聚束。
  12. 如請求項11之自由電子雷射，其中該線性加速器系統經組態以充當該解線性變頻器。
  13. 如請求項11或12之自由電子雷射，其中該線性變頻器包含一RF空腔。
  14. 如請求項11或12之自由電子雷射，其中該線性加速器系統經組態以充當該線性變頻器。
  15. 如請求項11或12之自由電子雷射，其中該清除器件包含一散佈機。
  16. 如請求項11或12之自由電子雷射，其中該清除器件包含一軌道彎道。
  17. 如請求項16之自由電子雷射，其中將該軌道彎道定位於該線性加速器系統之諸區段之間。
  18. 如請求項11或12之自由電子雷射，其中該清除器件具有介於0.01公尺至2公尺之範圍內的一R56。
  19. 一種微影系統，其包含：一如請求項1至18中任一項之自由電子雷射；及一或多個微影裝置。
  20. 一種產生一輻射光束之方法，其包含：產生包含電子聚束之一上游電子束；經由一線性加速器來加速該上游電子束；壓縮該上游電子束之電子聚束；將該上游電子束導向通過一波盪器以產生相干輻射；將離開該波盪器之一下游電子束導向通過該線性加速器以形成一減速電子束；在該壓縮之前可逆地散佈僅該上游電子束之該等電子聚束的能量；及在該波盪器之前反轉該散佈。
  21. 一種產生一輻射光束之方法，其包含：產生包含電子聚束之一上游電子束；經由一線性加速器來加速該上游電子束；自該等電子聚束移除線性變頻脈衝；執行對該等電子聚束之一清除，該清除與該等電子聚束中之電子的能量成比例地使該等電子之一縱向位置移位；將線性變頻脈衝添加至該等電子聚束；壓縮該上游電子束之該等電子聚束；將該上游電子束導向通過一波盪器以產生相干輻射；及將離開該波盪器之一下游電子束導向通過該線性加速器以形成一減速電子束。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102627859B1 (ko) * 2019-03-15 2024-01-19 포항공과대학교 산학협력단 자유전자 레이저 발생 장치 및 방법
CN110944439B (zh) * 2019-10-29 2021-05-28 清华大学 基于电子储存环的高平均功率极紫外光源装置
WO2023023050A1 (en) * 2021-08-17 2023-02-23 Omega-P R&D, Inc. A compact cyclotron resonance high-power accelerator for electrons

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015135912A2 (en) * 2014-03-13 2015-09-17 Asml Netherlands B.V. Radiation source

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6285690B1 (en) * 1999-07-27 2001-09-04 Bennett Optical Research, Inc. Ignition feedback regenerative free electron laser (FEL) amplifier
JP2001144008A (ja) * 1999-11-17 2001-05-25 Nec Corp 電子線露光方法、並びにこれに用いるマスク及び電子線露光装置
DE102011075210B4 (de) * 2011-05-04 2016-03-24 Siemens Aktiengesellschaft Linearbeschleuniger
RU2462009C1 (ru) * 2011-06-08 2012-09-20 Мурадин Абубекирович Кумахов Способ изменения направления движения пучка ускоренных заряженных частиц, устройство для осуществления этого способа, источник электромагнитного излучения, линейный и циклический ускорители заряженных частиц, коллайдер и средство для получения магнитного поля, создаваемого током ускоренных заряженных частиц
JP6571092B2 (ja) 2013-09-25 2019-09-04 エーエスエムエル ネザーランズ ビー．ブイ． ビームデリバリ装置及び方法
US9728931B2 (en) * 2013-12-05 2017-08-08 Asml Netherlands B.V. Electron injector and free electron laser

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015135912A2 (en) * 2014-03-13 2015-09-17 Asml Netherlands B.V. Radiation source

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