电子注入器和自由电子激光器

摘要

一种用于提供电子束的注入器装置。注入器装置包括用于提供电子束团的第一注入器和用于提供电子束团的第二注入器。注入器装置可操作为以电子束包括仅由第一注入器提供的电子束团的第一模式和电子束包括仅由第二注入器提供的电子束团的第二模式操作。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请与2013年12月5日提交的欧洲第13195806.8号专利申请、2014年2月21日提交的欧洲第14156258.7号专利申请以及2013年12月12日提交的欧洲第13196853.9号申请有关，此处以引证的方式将上述申请的内容全部并入。

技术领域

本发明涉及一种用于向自由电子激光器提供电子束的电子注入器。电子注入器可以形成注入器布置的一部分。自由电子激光器可以用于生成用于光刻设备的辐射。

背景技术

光刻设备是被构造为将所期望的图案应用到衬底上的机器。光刻设备例如可以用于集成电路(IC)的制造中。光刻设备例如可以将来自图案形成装置(例如，掩模)的图案投影到衬底上所设置的一层辐射敏感材料(抗蚀剂)上。

光刻设备将图案投影到衬底上所用的辐射的波长确定那个衬底上可以形成的特征的最小尺寸。使用作为具有范围5nm-20nm内的波长的电磁辐射的EUV辐射的光刻设备可以用于比常规光刻设备(例如可以使用具有193nm波长的电磁辐射的光刻设备)在衬底上形成更小的特征。

用于一个或多个光刻设备的EUV辐射可以由自由电子激光器来产生。自由电子激光器可以包括提供电子束的至少一个电子注入器布置，并且可以包括至少一个注入器布置。

本发明的目的是避免或减轻与现有技术关联的一个或多个问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，存在一种用于提供电子束的注入器装置，该注入器装置包括用于提供第一电子束的第一注入器和用于提供第二电子束的第二注入器，其中，所述注入器装置可操作于第一模式和第二模式，在第一模式中从所述注入器装置输出的所述电子束仅由所述第一注入器来提供，在第二模式中从所述注入器装置输出的所述电子束仅由所述第二注入器来提供，其中，所述注入器装置还包括合并单元，合并单元被配置为合并再循环电子束与由所述第一注入器提供的所述电子束或与由所述第二注入器提供的所述电子束。

这样，即使当第一注入器和第二注入器中的一个不可操作时，注入器也可以提供电子束。这确保注入器的故障不需要引起接收电子束的设备(诸如自由电子激光器)的停机时间。进一步地，第一方面的注入器装置在总体上保持注入器装置的操作的同时允许对第一注入器和第二注入器两者之一进行维护。

所述第二注入器可以可操作为在所述第一模式下产生电子束。所述第一注入器可以可操作为在所述第二模式下产生电子束。

所述第二注入器可以可操作为在所述第一模式下产生所述具有更低重复率的电子束团的电子束。所述第一注入器可以可操作为在所述第二模式下产生所述具有更低重复率的电子束团的电子束。例如，不向自由电子激光器提供电子束的注入器可以产生具有与供给电子束的注入器相同的电荷的、但具有非常低的重复率(或占空比)的电子束团。

所述注入器装置可以包括至少一个控向单元。所述至少一个控向单元具有来自所述第一注入器的电子束沿着第一路径传播的第一控向模式和来自所述第一注入器的电子束沿着第二路径传播的第二控向模式。

所述至少一个控向单元可以包括来自所述第二注入器的电子束沿着第三路径传播的第三控向模式和来自所述第二注入器的电子束沿着第四路径传播的第四控向模式。

第二路径和第四路径例如可以结合由电子束遵循的路径，而第一路径和第三路径可以不结合由电子束遵循的路径。这样，当至少一个控向单元以第二控向模式和第三控向模式这两者操作时，注入器装置以第一模式操作。相反，当至少一个控向单元以第一模式和第四模式这两者操作时，注入器装置以第二模式操作。

所述第一注入器可以被布置为沿着所述第一路径发射所述电子束，并且所述至少一个控向单元可以被布置为在以所述第二控向模式操作时使由所述第一注入器输出的电子束转向，以沿着所述第二路径传播。这样，在以第一模式操作时可以不需要由第一注入器发射的电子束的主动控向。

所述第二注入器可以被布置为沿着所述第三路径发射所述电子束，并且所述至少一个控向单元可以被布置为在以所述第四控向模式操作时使由所述第二注入器输出的电子束转向，以沿着所述第四路径传播。这样，在以第三模式操作时可以不需要由第二注入器发射的电子束的主动控向。

所述至少一个控向单元包括第一控向单元，第一控向单元被布置为对来自所述第一注入器的电子束进行控向；和第二控向单元，第二控向单元被布置为对来自所述第二注入器的电子束进行控向。第一控向单元可以在第一控向模式与第二控向模式之间独立切换，并且第二控向单元可以在第三控向模式与第四控向模式之间独立切换。

所述注入器装置可以还包括至少一个束流收集器，其中，所述第一路径通向所述至少一个束流收集器。所述第三路径也可以通向所述至少一个束流收集器。这样，第一注入器两者之一或两者可以被布置为沿束流收集器的方向发射电子束，使得由各注入器发射的电子束不需要被主动控向到束流收集器。因为束流收集器可以能够从多个方向(例如，从第一路径和第三路径这两者)接收电子，所以这个结构可以特别有效。相反，电子束的靶可以能够从单个方向接收电子束。

注入器装置可以被布置为朝向自由电子激光器的直线加速器引导电子束。第三控向单元可以布置在注入器装置与直线加速器之间，第三控向单元被布置为朝向直线加速器对电子束进行控向。

第三控向单元可以为被布置为合并由注入器装置提供的电子束与自由电子激光器中传播的电子束的合并单元。例如，在使用具有ERLFEL的注入器装置的情况下，合并单元可以合并由注入器装置提供的电子束与已传播穿过直线加速器的电子束。

所述注入器装置可以包括至少一个聚焦单元，至少一个聚焦单元沿着由所述第一注入器所输出的所述电子束行进的路径和/或所述第二注入器所输出的所述电子束的路径布置。这样，可以减轻由第一注入器和第二注入器提供的电子束的电子束团内的电荷分布的变化。

所述第一注入器可以被定位为使得所述第一注入器与所述电子束的靶之间的电子束的路径长度大于所述第二注入器与所述靶之间的电子束的路径长度；并且其中，所述至少一个聚焦单元被布置为减小由所述第一注入器输出的所述电子束的电子束团的尺寸。

所述第一注入器可以被布置为使得所述至少一个控向单元在以所述第二控向模式操作时使由所述第一注入器输出的电子束弯曲小于90度的角度。

所述第二注入器可以被布置为使得所述至少一个控向单元在以所述第四控向模式操作时使由所述第二注入器输出的电子束弯曲小于90度的角度。

所述注入器装置可以还可操作在第三模式中，在第三模式中所述注入器装置输出包括与来自所述第二注入器的电子束的电子束团交织的来自所述第一注入器的电子束的电子束团的电子束。这样，各注入器可以以例如一个注入器独自提供电子束所需的重复率的一半的重复率操作。这样，各注入器经历更少的磨损。

所述第一注入器可以设置在第一房间中，并且所述第二注入器可以设置在与所述第一房间屏蔽的第二房间中。

注入器装置可以包括第一注入器与第二注入器之间的辐射屏蔽。这样，在另一个注入器提供电子束的同时对一个(不可操作的)注入器进行维护或其他作业是安全的。

所述第一注入器可以包括第一光阴极，并且所述第二注入器可以包括第二光阴极。所述注入器装置可以包括被布置为向所述第一光阴极和所述第二光阴极这两者提供激光辐射的单个光阴极驱动激光器。

根据第二方面，提供了一种被布置为产生至少一个辐射束的自由电子激光器，自由电子激光器包括第一方面的注入器装置。

自由电子激光器可以包括合并单元，其中，注入器装置被布置为向合并单元提供电子束。

根据第三方面，提供了一种光刻系统，光刻系统包括：根据第二方面的自由电子激光器，自由电子激光器被布置为产生至少一个辐射束；和至少一个光刻设备，所述至少一个光刻设备中的每一个被布置为接收所述至少一个辐射束中的至少一个。所述至少一个辐射束可以包括EUV辐射。

至少一个光刻设备可以包括一个或多个掩模检查设备。

根据本发明的第四方面，提供了一种自由电子激光器，自由电子激光器包括：注入器装置，注入器装置包括第一电子束注入器和第二电子束注入器，第一电子束注入器和第二电子束注入器各被配置为生成注入电子束；以及注入器直线加速器，注入器直线加速器被配置为使所述注入电子束加速，所述注入器直线加速器为能量回收直线加速器，所述自由电子激光器还包括第二直线加速器和波荡器。

因为将注入器直线加速器提供为能量回收直线加速器允许向加速电子并使电子更不易受空间电荷效应的影响的注入电子束提供能量，同时仅需要使用有限量的能量(与使用不使用能量回收的直线加速器相比)，所以这是有利的。减轻空间电荷效应允许向第二直线加速器传递更高品质的电子束团。

所述注入器装置还可以包括合并单元。合并单元可以处于所述注入器直线加速器上游，并且可以被配置为在以合并来自所述第一注入器的注入电子束与再循环电子束的第一模式操作与以合并来自所述第二注入器的注入电子束与所述再循环电子束的第二模式操作之间切换。

所述合并单元包括组合双极磁体，组合双极磁体被配置为使所述再循环电子束弯曲第一角度，并且被配置为使所述注入电子束弯曲更大的第二角度。所述合并单元可以被配置为在所述第一操作模式与所述第二操作模式之间改变时切换所述组合双极磁体的极性。

所述第一注入器可以设置在所述注入器装置的轴线的第一侧上，并且所述第二注入器可以设置在所述注入器装置的所述轴线的相对的第二侧上。

所述合并单元可以包括多个双极磁体，多个双极磁体被布置为使所述再循环电子束弯曲的减速弯道，所述双极磁体的极性可切换以反转应用于所述再循环电子束的弯曲的方向。

所述减速弯道可以被配置为在所述合并单元以所述第一模式操作时从所述注入器装置轴线的与所述第一注入器相同的侧朝向所述组合双极磁体引导所述再循环束，并且被配置为在所述合并单元以所述第二模式操作时从所述注入器装置轴线的与所述第二注入器相同的侧朝向所述组合双极磁体引导所述再循环束。

所述减速弯道可以被配置为以被选择为使得所述再循环电子束在离开所述组合双极磁体时将沿着所述注入器装置轴线传播的角度和空间位置向所述组合双极磁体传递所述再循环束。

所述减速弯道双极磁体可以为电磁体。

所述第一注入器可以包括多个双极磁体和多个四极磁体，多个双极磁体和多个四极磁体被配置为在所述合并单元以所述第一模式操作时以被选择为使得所述第一注入电子束在离开所述组合双极磁体时将沿着所述注入器装置轴线传播的角度和空间位置向所述组合双极磁体传递所述第一注入电子束。

所述第二注入器可以包括多个双极磁体和多个四极磁体，多个双极磁体和多个四极磁体被配置为在所述合并单元以所述第二模式操作时以被选择为使得所述第二注入电子束在离开所述组合双极磁体时将沿着所述注入器装置轴线传播的角度和空间位置向所述组合双极磁体传递所述第二注入电子束。

所述双极磁体和四极磁体可以被调整为在所述注入器直线加速器之后提供具有所期望品质的电子束团。

所述第一注入器和所述第二注入器两者可以被配置为提供具有比电子将在束流收集器中诱导放射性的阈值能量低的能量的所述注入电子束。

所述注入器直线加速器可以被配置为增加所述注入电子束的所述能量至少20MeV。

所述第一注入器可以设置在第一房间中，并且所述第二注入器可以设置在第二房间中，各房间具有提供电磁辐射的屏蔽的墙壁。

所述第二直线加速器可以为能量回收直线加速器。

所述第二直线加速器可以被配置为在由所述注入器直线加速器加速之后增加所述电子束的所述能量100MeV或更多。

所述自由电子激光器可以包括含有所述第二直线加速器和所述注入器直线加速器的第一环路和含有所述第二直线加速器和所述波荡器的第二环路。所述第一环路的路径长度可以等于所述第二环路的路径长度。

所述第一注入器和所述第二注入器可以各被配置为以与电子围绕所述第一环路行进所需的时间对应的速率提供电子束空白间隙。

所述第一注入器和所述第二注入器可以设置在所述第二直线加速器和所述波荡器上方的房间中。

根据本发明的第五方面，提供了一种使用自由电子激光器产生辐射束的方法，所述方法包括：使用第一电子束注入器生成注入电子束，并且组合所述注入电子束与再循环电子束，或者使用第二电子束注入器生成注入电子束，并且组合所述注入电子束与所述再循环电子束；通过从所述再循环电子束向所述注入电子束传递能量来使用注入器直线加速器增加所述注入电子束的所述能量；使用第二直线加速器进一步增加所述注入电子束的所述能量；以及提供使用所述电子束来使用波荡器以生成所述辐射束。

根据本发明的第六方面，提供了一种电子注入器，电子注入器包括：支撑结构，支撑结构被布置为支撑光阴极；束传递系统，束传递系统被布置为将来自辐射源的辐射束引导到所述光阴极的区域上，从而使得所述光阴极发射电子束；调整机构，调整机构可操作为改变由所述辐射束照射的所述光阴极的区域；以及控向单元，控向单元可操作为向所述电子束施加力，以改变电子束的轨迹，使得电子变得与所述电子注入器的轴线大致一致。

由辐射束照射的光阴极的区域可能在使用期间受损。比如，随着时间的过去，从区域发射的电子束的峰值电流可能减小和/或电子束的发射率可能增大。改变由辐射束照射的光阴极的区域允许使发射电子束的光阴极的区域在光阴极周围移动。这通过在光阴极的寿命期间将光阴极的更大范围用于发射电子来延长光阴极的有效寿命。

改变由辐射束照射的光阴极的区域可以将从光阴极发射的电子束从电子注入器的轴线位移。轴线可以表示电子束离开电子源时所期望的轨迹。控向单元修正与轴线的位移，由此，使得电子在离开电子注入器时与轴线一致。这还可以具有将电子注入器中的电子的路径与在电子注入器的下游产生的离子的路径分离的效果。离子可能与光阴极碰撞并引起光阴极的损坏。通过将离子的路径与电子注入器中的电子的路径分离，可以将遭受来自离子碰撞的损坏的光阴极的区域与发射电子束的光阴极的区域分离。这进一步延长光阴极的有效寿命。

所述控向单元可以包括一个或多个电磁体。

所述控向单元可以处于所述电子注入器的电子助力器的下游。

由所述辐射束照射的所述光阴极的区域可以与所述电子注入器的所述轴线分离。

所述束传递系统可以被配置为使得所述辐射束在入射到所述光阴极上时不垂直于所述光阴极。

所述调整机构可以包括所述束传递系统中的辐射束调整单元，所述辐射束调整单元可操作为改变所述辐射束的一个或多个特性。

所述辐射束调整单元可以可操作为改变所述辐射束的传播方向。

所述束传递系统可以包括反射镜，反射镜被布置为将所述辐射束反射到所述光阴极的区域上，并且所述调整机构可以包括可操作为改变所述反射镜的位置和/或取向的致动器。

所述调整机构可以可操作为控制由所述辐射束照射的所述光阴极的区域的形状。

所述调整机构可以可操作为控制由所述辐射束照射的所述光阴极的区域的形状，使得从所述照射区域发射的所述电子束在所述控向单元向所述电子束施加力之后呈现一个或多个所期望的特性。

所述调整机构可以包括可操作为改变所述光阴极的位置和/或取向的致动器。

所述致动器可以可操作为旋转所述光阴极。

所述电子注入器还可以包括控制器，其中，所述控制器可操作为控制所述调整机构，以便控制由所述辐射束照射的所述光阴极的区域的变化。

所述控向单元可以可操作为响应于由所述辐射束照射的所述光阴极的区域而调整施加于所述电子束的所述力。

所述控制器可以响应于由所述辐射束照射的所述光阴极的区域的变化而控制施加于所述电子束的所述力的所述调整。

所述电子注入器还可以包括可操作为测量所述电子束的一个或多个特性的电子束测量装置。

所述控向单元可以可操作为响应于所述电子束的一个或多个特性的测量而调整施加于所述电子束的力。

所述辐射源可以为激光器，并且所述辐射束可以为激光束。

所述激光器可以为皮秒激光器。

所述电子束可以包括多个电子束团。

所述电子注入器还可以包括可操作为加速所述电子束的电子助力器。

所述轴线可以表示从所述电子注入器输出的所述电子束的所期望的轨迹。

所述支撑结构可以被容纳在电子枪中，并且所述电子注入器还可以包括可操作为调整所述电子枪的位置和/或取向的致动器。

所述致动器可以可操作为响应于由所述辐射束照射的所述光阴极的区域的变化而调整所述电子枪的所述位置和/或所述取向。

根据本发明的第七方面，提供了一种自由电子激光器，自由电子激光器包括：根据第六方面的电子注入器；粒子加速器，粒子加速器可操作为加速所述电子束到相对论速度；以及波荡器，波荡器可操作为使得所述相对论电子遵循振荡路径，从而使得相对论电子激励相干辐射的发射。

所述波荡器可以被配置为使得所述相对论电子发射EUV辐射。

所述粒子加速器可以为直线加速器。

根据本发明的第八方面，提供了一种光刻系统，光刻系统包括：根据本发明的第六方面的自由电子激光器；和一个或多个光刻设备。

根据本发明的第九方面，提供了一种使用电子注入器产生电子束的方法，所述方法包括：将辐射束引导到光阴极的区域上，从而使得所述光阴极发射电子束；改变由所述辐射束照射的所述光阴极的区域；以及向所述电子束施加力，以改变电子束的轨迹，使得电子与所述电子注入器的轴线一致。

向所述电子束施加力可以包括使用一个或多个电磁体生成磁场，以便改变所述电子束的所述轨迹。

由所述辐射束照射的所述光阴极的区域可以与所述电子注入器的所述轴线分离。

改变由所述辐射束照射的所述光阴极的区域可以包括改变所述辐射束的一个或多个特性。

改变由所述辐射束照射的所述光阴极的区域可以包括改变所述光阴极的位置和/或取向。

改变所述光阴极的所述位置和/或所述取向可以包括旋转所述光阴极。

所述方法还可以包括：响应于由所述辐射束照射的所述光阴极的区域的所述变化而调整施加于所述电子束的力。

所述方法还可以包括：测量所述电子束的一个或多个特性。

所述方法还可以包括：响应于所述电子束的一个或多个特性的测量调整施加于所述电子束的力。

所述方法还可以包括：控制由所述辐射束照射的所述光阴极的区域的形状。

由所述辐射束照射的所述光阴极的区域的形状可以被控制为使得从所述照射区域发射的电子束在向所述电子束施加力之后呈现一个或多个所期望的特性。

所述电子束可以包括多个电子束团。

所述轴线可以表示从所述电子注入器输出的所述电子束的所期望的轨迹。

根据第十方面，提供了一种用于产生辐射的方法，方法包括：根据第九方面的方法产生电子束；加速所述电子束到相对论速度；以及使得所述相对论电子遵循振荡路径，从而使得相对论电子激励相干辐射的发射。

所述相对论电子可以被使得激励EUV辐射的发射。

根据本发明的第十一方面，提供了一种光阴极，光阴极包括：衬底，衬底中形成有腔；和材料膜，材料膜布置在所述衬底上，其中，所述材料膜包括电子发射表面，电子发射表面被配置为在被辐射束照射时发射电子，其中，所述电子发射表面处于所述材料膜的与所述腔相对的侧上。

光阴极可能经受与离子的碰撞。衬底中的腔用来增大在光阴极中停止离子的、到衬底中的深度。这减少由于离子碰撞而从光阴极飞溅的材料量。飞溅的材料可能沉积到光阴极上，并且可能降低光阴极的量子效率。通过减少从光阴极飞溅的材料量，可以减轻量子效率的任意降低。这提高光阴极的有效寿命。

减少从光阴极飞溅的材料量还可以防止量子效率的梯度在光阴极上发展。这提高与从光阴极发射的电子束关联的电流的稳定性，并且提高从光阴极发射的电子束团的电荷分布的均匀性。这两个效果在将光阴极用于自由电子激光器的电子源中时特别有利。

增大在光阴极中停止离子的、到衬底中的深度还用以减少靠近光阴极的表面的光阴极的发热。这降低电子从光阴极的任意热电子发射。这减小由光阴极发射的暗电流。因为这减少可能损坏自由电子激光器的部件的自由电子激光器中的杂散电子，所以这在将光阴极用于自由电子激光器的电子源中时是有利的。

所述光阴极可以包括在将所述光阴极的操作期间接收离子的碰撞区域。

所述衬底中的所述腔可以与所述碰撞区域大致对齐。

所述电子发射表面与所述腔之间所布置的所述光阴极的部分的厚度可以足够薄，以致所述光阴极的那部分处入射的大部分带正电荷的离子穿过所述光阴极的那部分并进入到所述腔中。

所述电子发射表面与所述腔之间所布置的所述光阴极的所述部分的所述厚度可以小于10微米。

所述光阴极可以被配置为在由在所述光阴极保持在一电压处时施加于所述光阴极的静电压力引起的所述光阴极的变形之后呈现所期望的形状。

所述光阴极可以被配置为使得在所述光阴极的所述变形之后，与所述施加于所述光阴极的电压关联的电场线大致均匀。

所述衬底可以包括所述衬底中的凹陷。

所述衬底中的所述腔可以包括倒角。

所述衬底可以包括一个或多个肋状物。

所述一个或多个肋状物可以被布置为加强所述光阴极，以抵抗在所述光阴极保持在一电压处时施加于所述光阴极的静电压力。

所述肋状物可以被布置为蜂窝结构。

所述肋状物可以具有小于大约1微米的厚度。

所述衬底可以包括硅。

所述材料膜可以包括一种或多种碱金属。

所述材料膜可以包括锑化钠钾。

根据本发明的第十二方面，提供了一种电子注入器，电子注入器包括：根据本发明的第十一方面的光阴极，光阴极被布置为接收来自辐射源的辐射束；和电子助力器，电子助力器可操作为加速从所述光阴极发射的电子束。

根据本发明的第十三方面，提供了一种自由电子激光器，自由电子激光器包括：根据本发明的第十二方面的电子源；直线加速器，直线加速器可操作为加速所述电子束到相对论速度；以及波荡器，波荡器可操作为使得所述相对论电子遵循振荡路径，从而使得相对论电子激励相干辐射的发射。

所述波荡器可以被配置为使得所述电子发射EUV辐射。

根据本发明的第十四方面，提供了一种光刻系统，光刻系统包括：根据第十三方面的自由电子激光器；和一个或多个光刻设备。

根据本发明的第十五方面，提供了一种产生电子束的方法，方法包括：引导辐射束，以在光阴极的区域上入射，从而使得所述光阴极发射电子束；其中，所述光阴极包括衬底，衬底中形成有腔；和材料膜，材料膜布置在所述衬底上，其中，所述材料膜被配置为在被所述辐射束照射时从电子发射表面发射电子，并且其中，所述电子发射表面处于与所述腔相反的所述材料膜的侧上。

本发明的任意方面的特征可以与本发明的任意其他方面的特征组合。

附图说明

现在将参照示意性附图仅经由示例来描述本发明的实施方式，附图中：

-图1是包括根据本发明的实施方式的自由电子激光器和八个光刻设备的光刻系统的示意图；

-图2是形成图1的光刻系统的一部分的光刻设备的示意图；

-图3是根据本发明的实施方式的自由电子激光器的示意图；

-图4是根据本发明的实施方式的注入器装置的示意图；

-图5是根据本发明的另选实施方式的注入器装置的示意图；

-图6是根据本发明的另选实施方式的注入器装置的示意图；

-图7是根据本发明的另选实施方式的注入器装置的示意图；

-图8是根据本发明的另选实施方式的注入器装置的示意图；

-图9是根据本发明的另外实施方式的多个注入器的驱动机构的示意图；

-图10是根据本发明的实施方式的自由电子激光器的示意图；

-图11是可以形成图10的自由电子激光器的一部分的注入器装置的示意图；

-图12是根据本发明的实施方式的电子注入器的示意图；

-图13是用于图12的电子注入器的光阴极的示意图；

-图14是穿过可以由图13的电子注入器使用的光阴极的横截面的示意图；

-图15是硅衬底中离子的停止位置的表现形式；

-图16是穿过经受静电压力的光阴极的横截面的示意图；

-图17a是穿过被配置为在暴露于静电压力时呈现所期望的形状的光阴极的横截面的示意图；

-图17b是穿过经受静电压力时的图17a的光阴极的横截面的示意图；

-图18是衬底包括加强肋的部分的平面图的示意图；以及

-图19是穿过包括具有开口的腔的光阴极的横截面的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施方式的光刻系统LS的示例。光刻系统LS包括自由电子激光器FEL形式的辐射源、分束设备19以及八个光刻设备LA1-LA8。辐射源被配置为生成极紫外(EUV)辐射束B(可以称为主束)。主辐射束B由分束设备19分为多个辐射束B_a-B_h(可以称为分支束)，分支束中的每一个被引导到不同的光刻设备LA1-LA8。分支辐射束B_a-B_h可以从主辐射束串联分离，从主辐射束分离的各分支辐射束处于前一分支辐射束的下游。在就是这样的情况下，分支辐射束例如可以大致彼此平行地传播。

光刻系统LS还包括扩束光学器件20。扩束光学器件20被布置为增大辐射束B的截面积。有利地，这减小对扩束光学器件20下游的反射镜的热负荷。这可以允许扩束光学器件下游的反射镜为更低的规格，具有更少的冷却，因此更便宜。另外地或另选地，可以允许下游的反射镜更接近于正入射。分束设备19可以包括布置在从主束B沿着多个分支辐射束B_a-B_h引导辐射的束B的路径中的多个静态抽取反射镜(未示出)。增大主束B的尺寸降低反射镜必须位于束B路径中的精度。因此，这允许由分束设备19进行的、输出束B的更精确分离。例如，扩束光学器件20可操作为在主束B由分束设备19分离之前将主束B从大约100μm扩到多于10cm。

辐射源FEL、分束设备19、扩束光学器件20以及光刻设备LA1-LA8可以全部被构造并布置为使得它们与外部环境隔离。真空可以设置在辐射源FEL、扩束光学器件20、分束设备19以及光刻设备LA1-LA8的至少一部分中，以便使EUV辐射的吸收最小化。光刻系统LS的不同部分可以设置有处于不同压力的真空(即，保持处于低于大气压力的不同压力)。

参照图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以及被配置为支撑衬底W的衬底台WT。照射系统IL被配置为调整在图案形成装置MA上入射之前由光刻设备LA1接收的分支辐射束B_a。投影系统PS被配置为将(现在由掩模MA图案化的)辐射束B_a’投影到衬底W上。衬底W可以包括之前形成的图案。在就是这样的情况下，光刻设备使图案化的辐射束B_a’与衬底W上之前形成的图案对齐。

由光刻设备LA1接收的分支辐射束B_a从分束设备19穿过照射系统IL的封闭结构中的开口8穿入照射系统IL中。可选地，分支辐射束B_a可以被聚焦为在开口8处或附近形成中间焦点。

照射系统IL可以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11一起提供具有所期望的横截面形状和所期望的角分布的辐射束B_a。辐射束B_a从照射系统IL穿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，以形成图案化的束B_a’。照射系统IL可以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，还包括其他反射镜或装置。照射系统IL例如可以包括独立可移动反射镜的阵列。独立可移动反射镜从一边到另一边例如可以测量小于1mm。独立可移动反射镜例如可以为微机电系统(MEMS)装置。

在从图案形成装置MA反射之后，图案化的辐射束B_a’进入投影系统PS。投影系统PS包括被配置为将辐射束B_a’投影到由衬底台WT保持的衬底W上的多个反射镜13、14。投影系统PS可以将衰减因子应用于辐射束，这形成特征小于图案形成装置MA上的对应特征的图像。例如，可以应用衰减因子4。虽然投影系统PS在图2中具有两个反射镜13、14，但投影系统可以包括任意数量的反射镜(例如，六个反射镜)。

如上所述，被配置为生成EUV辐射束B的辐射源包括自由电子激光器FEL。自由电子激光器包括可操作为产生聚束的相对论电子束的源和引导相对论电子的束团所借助的周期磁场。周期磁场经由波荡器来产生，并且使得电子遵循围绕中心轴线的振荡路径。作为由磁结构引起的加速的结果，电子总体沿中心轴线的方向自发地辐射电磁辐射。相对论电子与波荡器内的辐射相互作用。在特定条件下，这个相互作用使得电子一起聚束成微束团，微束团以波荡器内的辐射的波长调制，并且激励沿着中心轴线的辐射的相干发射。

电子所遵循的路径在电子周期地穿过中心轴线的情况下可以为正弦且平面的，或者在电子围绕中心轴线旋转的情况下可以为螺旋的。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，使得电子沿着螺旋路径传播的自由电子激光器可以发射椭圆形偏振的辐射，这对于由一些光刻设备露出衬底W可以是优选的。

图3是包括注入器装置21、直线加速器22、波荡器24以及束流收集器100的自由电子激光器FEL的示意图。图10中也示意性地描述了自由电子激光器FEL(如下面进一步描述的)。

自由电子激光器FEL的注入器装置21被布置为产生聚束的电子束E，并且包括电子源(诸如，例如，热电子阳极或光阴极)和加速电场。电子束E经由直线加速器22加速到相对论速度。在示例中，直线加速器22可以包括多个射频腔，多个射频腔沿着公共轴线轴向隔开；和一个或多个射频电源，射频电源可操作为随着电子束团穿过沿着公共轴线的电场之间控制电场，以便加速各电子束团。腔可以为超导射频腔。有利地，这允许：以高占空比应用较大的电磁场；允许更大的束孔径，这允许产生由于弱场而产生的更少损耗；并且允许增大传输到束(如与借助腔壁消散相对的)的射频能量的分数。另选地，腔可以为常规传导的(即，不是超导的)，并且例如可以由铜形成。还可以使用其他类型的直线加速器。例如，直线加速器22可以包括激光加速器，其中，电子束E穿过聚焦后的激光束，并且激光束的电场使得电子加速。

注入器装置21和直线加速器22一起提供相对论电子。

可选地，电子束E可以穿过束团压缩器23。束团压缩器23可以布置在直线加速器22的下游或上游。束团压缩器23被配置为使电子束E中的电子聚束，并且空间地压缩电子束E中现有的电子束团。一种束团压缩器23包括被引导为横向于电子束E的辐射场。电子束E中的电子与辐射相互作用，并且与附近的其他电子聚束。另一种类型的束团压缩器23包括磁减速弯道，其中，由电子随着电子穿过减速弯道而遵循的路径的长度取决于电子的能量。该类型的束团压缩器可以用于压缩使用多个射频腔在直线加速器22加速的电子束团。

然后，电子束E穿过波荡器24。通常，波荡器24包括多个磁体，多个磁体可操作为产生周期磁场，并且被布置为沿着周期路径引导由注入器装置21和线性加速器22产生的相对论电子。因此，电子总体沿波荡器24的中心轴线的方向辐射电磁辐射。波荡器24包括多个模块，各部分包括周期磁体结构。电磁辐射可以在各波荡器模块的开始处形成束团(这里称为光子束团)。波荡器24还包括用于重新聚焦电子束E的机构(诸如，例如，一对或更多对相邻模块之间中的四极磁体)。用于重新聚焦电子束E的机构可以减小电子束团的尺寸，这可以改善电子与波荡器23内的辐射之间的耦合，这提高辐射的发射的激励。

自由电子激光器FEL可以以自放大受激发射(SASE)模式来操作。另选地，自由电子激光器FEL可以包括种子辐射源，种子辐射源可以由波荡器24内的受激发射来放大。辐射束B从波荡器24传播。辐射束B包括EUV辐射。

随着电子移动穿过波荡器24，电子与辐射的电场相互作用，与辐射交换能量。通常，电子与辐射之间所交换的能量的数量将迅速振荡，除非条件接近于由如下公式给出的共振条件，

$>{\lambda }_{\mathrm{em}}=\frac{{\lambda }_u}{{2\gamma }^2}(1+\frac{K^2}{A}),---\left(1\right)$>

其中，λ_em为辐射的波长，λ_u为波荡器周期，γ为电子的洛伦兹因子，并且K为波荡器参数。A取决于波荡器24的几何结构：对于螺旋波荡器A＝1，而对于平面波荡器A＝2。在实践中，虽然(通过产生具有低发射率的电子束EB₁)尽可能使能量扩展最小化，但各电子束团仍将具有能量扩展。波荡器参数K通常大约为1，并且由如下公式给出

$>K=\frac{{\mathrm{q\lambda }}_u{B}_0}{2\pi mc},---\left(2\right),$>

其中，q和m分别为电子的电荷和质量，B₀为周期磁场的振幅，并且c为光速。

共振波长λ_em等于由移动穿过波荡器24的电子自发辐射的第一谐波波长。自由电子激光器FEL可以以自放大受激发射(SASE)模式来操作。SASE模式下的操作在电子束EB₁进入波荡器24之前可以需要电子束EB₁中的电子束团的低能量扩展。另选地，自由电子激光器FEL可以包括种子辐射源，种子辐射源可以由波荡器24内的受激发射来放大。

移动穿过波荡器24的电子可以使得辐射的振幅增大，即，自由电子激光器FEL可以具有非零增益。最大增益可以在满足共振条件或条件接近于但稍微偏离共振时实现。

随着进入波荡器24而满足共振条件的电子将随着电子发射(或吸收)辐射而失去(或获得)能量，使得不再满足共振条件。因此，在一些实施方式中，波荡器24可以逐渐变细。即，为了随着电子束团被引导穿过波荡器24而保持电子束团处于共振或接近于共振，周期磁场的振幅和/或波荡器周期λ_u可以沿着波荡器24的长度变化。注意，电子与波荡器24内的辐射之间的相互作用产生电子束团内的能量扩展。波荡器24的逐渐变细可以被布置为使处于共振或接近于共振的电子数最大化。例如，电子束团可以具有在峰值能量处达到最大量的能量分布，并且逐渐变细可以被布置为将具有这个峰值能量的电子随着被引导穿过波荡器24而处于或接近于共振。有利地，波荡器的逐渐变细具有显著提高转换效率的能力。使用逐渐变细的波荡器可以提高转换效率(即，被转换成辐射束B中的辐射的电子束E的部分能量)多于因子2。波荡器的逐渐变细可以通过沿着波荡器的长度减小波荡器参数K来实现。这可以通过使波荡器周期λ_u和/或沿着波荡器的轴线的磁场强度B₀匹配于电子束团能量以确保它们处于或接近于共振条件来实现。以该方式满足共振条件增大所发射辐射的带宽。

在离开波荡器24之后，电磁辐射(光子束团)被发射为辐射束B。辐射束B向光刻设备LA1至LA8供给EUV辐射。辐射束B可以可选地被引导到可以被设置为将辐射束B从自由电子激光器FEL引导到光刻设备LA1至LA8的专用光学部件。因为EUV辐射通常被所有物质良好吸收，所以使用反射光学部件(而不是透射部件)，以便使损耗最小化。专用光学部件可以适应由自由电子激光器FEL产生的辐射束的特性，使得专用光学部件适于由光刻设备LA1至LA8的照射系统IL接受。专用光学部件可以包括图1中所述的扩束光学器件20和分束设备19。

在离开波荡器24之后，电子束E由收集器100吸收，收集器100例如可以包括大量水或具有高阈值用于经由高能电子碰撞而生成放射性同位素的材料(例如，具有大约15MeV的阈值的铝)。在穿到收集器100之前，可以期望从电子束E抽取能量，以降低电子束E的放射性和/或回收至少部分能量。

为了在电子被束流收集器100吸收之前减少电子的能量，电子减速器26可以布置在波荡器24与束流收集器100之间。电子减速器26减小在电子被束流收集器100吸收时具有的能量的量，因此，将降低所诱导的辐射的等级和束流收集器100中所产生的二次粒子。这移除或至少降低对移除并处理来自束流收集器100的放射性废物的需要。因为移除放射性废物需要周期地关闭自由电子激光器FEL，并且放射性废物的处理昂贵且具有严重的环境影响，所以这是有利的。

电子减速器26可以操作为将电子的能量降低到阈值能量以下。该阈值能量以下的电子无法在束流收集器100中诱导任何高等级的放射性。在自由电子激光器FEL的操作期间，伽马辐射将存在，但有利地是在关掉电子束E时，束流收集器100将被安全处理。

注入器的部件(诸如阴极)可以具有较短的操作寿命，并且可能需要频繁的更换或维护。这种更换和维护对部件形成一部分的自由电子激光器具有不利影响。本发明的实施方式可以提供两个注入器，注入器可以被配置为使得可以在一个注入器操作时关掉另一个注入器，以便维护。本发明的实施方式可以提高注入器部件(诸如阴极)的操作寿命。

参照图4，注入器装置21包括第一注入器30和第二注入器31。各注入器30、31包括它本身的电子源(诸如，例如，热电子阴极或光阴极)和加速电场。第一注入器30被布置为产生第一聚束的电子束E₁，并且第二注入器31被布置为产生第二聚束的电子束E₂。各注入器30、31被布置为向控向单元32引导它各自的聚束的注入电子束E₁、E₂。控向单元32被布置为向电子束合并单元33选择性地引导注入电子束中的一个(如图例示，这是第一注入电子束E₁)。注入电子束中的另一个(如图例示，这是第二注入电子束E₂)被引导到电子束流收集器34。电子束流收集器34例如可以包括水体或具有高阈值用于经由高能电子碰撞而生成放射性同位素的材料(例如，具有大约15MeV的阈值的铝(Al))。

控向单元32可以以将对技术人员容易明显的任意适当方式来实施。作为示例，控向单元32可以包括控向磁体，控向磁体可以被控制为沿束流收集器34或合并单元33二者之一的方向对进入的注入电子束E₁、E₂进行控向。

控向单元32可以被认为以控向模式操作。在第一控向模式下，控向单元32朝向束流收集器34沿着第一路径引导来自第一注入器30的电子束。在第二控向模式下，控向单元朝向合并单元33引导来自第一注入器的电子束。

朝向合并单元33引导的注入电子束E₁提供输出电子束。合并单元33被布置为使由控向单元32提供的注入电子束与在自由电子激光器FEL内传播的现有再循环电子束合并，并且向直线加速器22引导所合并的电子束E。合并单元33可以以将对技术人员容易明显的任意适当方式来实施。作为示例，合并单元33可以包括被布置为产生引导来自控向单元32的注入电子束E₁以便与再循环电子束合并的磁场。将理解，在初始化自由电子激光器FEL时，可能不存在将与由控向单元32提供的电子束合并的再循环电子束。在这种情况下，合并单元33向直线加速器22简单地提供由控向单元32提供的电子束。

图4的注入器装置21允许注入器30、31中的一个检修，而注入器30、31中的另一个操作。例如，图4将第一注入器30示出为操作的。即，由第一注入器30生成的电子束E₁由控向单元32引导到合并单元33，以便提供给直线加速器22(通过以实线来表示电子束E₁而表示)。如图4中所描绘，第二注入器31为不可操作的(由示出了电子束E₂不对电子束E起作用的、电子束E₂与合并单元33之间的点划线来表示)。

为了将不可操作注入器快速切换为操作状态，不可操作注入器31可以以备用模式操作(备用注入器)，而另一个注入器30(操作注入器)向直线加速器22提供它的聚束的电子束。备用注入器31可以以低占空比生成与操作注入器30相同的电荷。由备用注入器31产生的电荷可以提供给收集器34(如图例示)。这允许不可操作注入器31在操作注入器需要维护的情况下快速承担操作注入器的角色。

将理解，在维护期间，不可操作注入器既不处于操作模式也不处于备用模式，而是可以处于不生成电荷的关闭状态。为了创建用于检修不可操作注入器的安全环境，注入器30、31中的每一个可以彼此屏蔽。各注入器例如可以各设置在具有提供由另一个注入器生成的辐射的屏蔽的墙壁的房间中。房间还可以与自由电子激光器FEL的其他部分屏蔽。

图5示意性地例示了根据另选实施方式的注入器装置21，在注入器装置21中，相同的部件设置有相同的附图标记。在图5中，第一注入器30和第二注入器31各被布置为沿束流收集器34的方向引导各电子束E₁、E₂。各控向单元35、36布置在各注入器30、31与束流收集器34之间。各控向单元35、36可以向束流收集器34或向合并单元33引导所接收的电子束。由此可见，当一个注入器30、31以备用(或完全不可操作)模式操作时，另一个注入器30、31可以向直线加速器22提供电子束。

控向单元35、36可以被认为以控向模式操作。在第一控向模式下，第一控向单元35朝向束流收集器34沿着第一路径引导来自第一注入器30的电子束。在第二控向模式下，第一控向单元35朝向合并单元33引导来自第一注入器30的电子束。在第三控向模式下，第二控向单元36朝向束流收集器34沿着第三路径引导来自第二注入器31的电子束。在第四控向模式下，第二控向单元36朝向合并单元33引导来自第二注入器31的电子束。

图5的装置比图4的装置可以有益地需要更不复杂的控向机构。即，束流收集器34可以相对于各控向单元35、36被定位为使得向束流收集器34引导电子束E₁、E₂不需要调整电子束E₁、E₂的路径。这样，控向单元35、36仅需要向合并单元33引导电子束E₁、E₂。

可以期望确保被提供给合并单元33的电子束E内的电荷分布在从一个注入器切换到不同的注入器(即，使一个注入器从操作状态过渡到备用或不可操作状态，而使另一个注入器从备用或不可操作状态过渡到操作状态)时不变化。从各注入器30、31到合并单元33的路径长度的差异可能引起被提供给合并单元的电子束内的电荷分布的这种变化(例如，作为来自各注入器的电子束的不同扩展量的结果)。因此，可以期望确保所有注入器与合并单元33之间的路径长度相等。

在注入器与合并单元33之间的路径长度不相等的情况下，可以设置聚焦元件。图6示意性地例示了另选的注入器装置21，其中相同的部件设置有相同的附图标记。在图6的装置中，第一注入器30被布置为朝向第一束流收集器34引导第一电子束E₁，而第二注入器31被布置为朝向第二束流收集器37引导电子束E₂。各控向单元38、39布置在各注入器30、31与其相应束流收集器34、37之间。各控向单元38、39可操作为使所接收的电子束从朝向束流收集器34、37的路径转向为朝向被布置为与控向单元39相邻的合并单元33的路径。

控向单元38、39可以被认为以控向模式操作。在第一控向模式下，第一控向单元38朝向束流收集器34沿着第一路径引导来自第一注入器30的电子束。在第二控向模式下，第一控向单元38朝向合并单元33引导来自第一注入器30的电子束。在第三控向模式下，第二控向单元39朝向束流收集器34沿着第三路径引导来自第二注入器31的电子束。在第四控向模式下，第二控向单元39朝向合并单元33引导来自第二注入器31的电子束。

在第一注入器30与合并器33之间行进的电子束团的路径长度大于在第二注入器31与合并器33之间行进的电子束团的路径长度。由此可见，合并单元33处第一电子束E₁内的电荷分布可以不同于合并单元33处第二电子束E₂内的电荷分布。聚焦元件40被设置在第一控向单元38与合并单元33之间。聚焦元件40例如可以包括可操作为按需紧缩或扩展第一电子束E₁的四极磁体。因此，聚焦元件40可以调整第一电子束E₁的焦点，使得第一电子束E₁和第二电子束E₂内的电荷分布在合并单元33处相同。

将理解，虽然在图6的实施方式中，聚焦元件40设置在第一控向单元38与合并单元33之间，但聚焦元件可以反而或另外设置在第二控向单元39与合并单元33之间。在第二控向单元39与合并单元33之间所设置的聚焦元件可以操作为操纵电子束E₁、E₂中的任何一个或这两者。更普遍地，一个或多个聚焦元件可以设置在沿着电子束E₁、E₂的路径的任意点处。例如，在图4的实施方式中，如果第一注入器31比第二注入器31更远离控向单元32，则聚焦单元可以设置在第一注入器31与控向单元32之间。

将进一步理解，虽然在图6的示意图中，第一电子束E₁被示出为穿过第二控向单元39，但第一电子束E₁不需要穿过第二控向单元39。进一步地，在第一电子束E₁穿过第二控向单元39的情况下，第二控向单元39可以不需要对电子束E₁进行主动控向。

除了路径长度之外，注入器与合并单元之间的弯曲电子束的角度的差异可能在合并单元处导致这些电子束之间的电荷分布的差异。图7例示了另选的注入器装置21，其中相同的部件设置有相同的附图标记。在图7的装置中，第一注入器30被布置为沿束流收集器34的方向引导第一电子束E₁，而第二注入器31被布置为沿第二束流收集器37的方向引导电子束E₂。各控向单元38、39布置在各注入器30、31与其相应束流收集器34、37之间。各控向单元38、39可操作为使所接收的电子束从朝向束流收集器34、37的路径选择性地转向为朝向布置在控向单元38、39之间的合并单元33的路径。图7的装置提供了这样的注入器21的一个示例：各电子束E₁、E₂在其相应注入器30、31与合并单元33之间弯曲的角度相等，从而减小可能由不同的弯曲角度引起的电子束E₁、E₂内的电荷分布的变化。合并单元33在使第一注入电子束E₁与再循环电子束合并与使第二注入电子束E₂与再循环电子束合并之间切换。这可以使用具有可切换极性的双极磁体例如以下面关于图11进一步描述的方式来实现。

控向单元38、39可以被认为以控向模式操作。在第一控向模式下，第一控向单元38朝向束流收集器34沿着第一路径引导来自第一注入器30的电子束。在第二控向模式下，第一控向单元38朝向合并单元33引导来自第一注入器30的电子束。在第三控向模式下，第二控向单元39朝向束流收集器34沿着第三路径引导来自第二注入器31的电子束。在第四控向模式下，第二控向单元39朝向合并单元33引导来自第二注入器31的电子束。

图8示意性地例示了另选的注入器装置21，其中相同的部件设置有相同的附图标记。图8的装置总体对应于图6的装置，相同的部件为总体类似的布局。然而，在图6的注入器装置中，由各注入器30、31发射的电子束E₁、E₂的方向被描述为随着进入合并单元33而大致垂直于电子束E的方向。即，在图6的装置中，控向单元38、39被描述为使电子束E₁、E₂弯曲90度的角度。作为对比，在图8的装置中，注入器30、31与其各自的束流收集器34、37随着进入合并单元33而相对于注入电子束E₁、E₂的传播方向成角度布置，使得控向单元38、39需要使各电子束E₁、E₂弯曲以向合并单元33引导该电子束的角度小于90度。类似地，在图8的装置中，合并单元33被布置为使注入电子束E₁、E₂弯曲小于90度的角度。

因此，在图8的装置中，与图6的装置相比，减小弯曲各电子束E₁、E₂的总角度，从而降低电子束内电荷分布的变化的不利影响。

虽然上面总体描述了一个注入器在任意时间操作，但通常多于一个注入器可以同时操作。例如，在图5的装置中，各注入器30、31可以同时操作。即，控向单元35、36可以被布置为向合并单元33同时引导电子束E₁、E₂，电子束E₁、E₂一起提供要提供给直线加速器22的电子束E。在向合并单元33提供电子束E₁、E₂这两者的情况下，各注入器30、31可以以减小的重复率操作(即，可以在给定的时间段内发射更少的电子束团)。例如，注入器30、31中的每一个可以以一个注入器单独操作的重复率的一半的重复率操作。在这种情况下，电子束E可以包括与来自第二注入器31的电子束团交叉的来自第一注入器30的电子束团。

虽然在所述的实施方式中，各注入器装置包括两个注入器30、31，但将理解，可以设置另外的注入器(在需要的情况下设置对应的额外控向装置)。另外地，虽然在所描述的实施方式中，各注入器装置向合并单元提供电子束(即，在可以称为能量回收LINAC(ERL)FEL的FEL配置中)，但要理解的是，在未使用能量回收的情况下，由注入器装置生成的电子束不提供给合并器，而在不与现有电子束合并的情况下被直接提供给LINAC22。在这种情况下，可以需要额外控向单元，以向LINAC引导电子束E。另选地，注入器装置可以被布置为使得在不使用额外控向单元的情况下从注入器装置提供电子束E。

如上所述，各注入器可以包括被布置为生成电子的光阴极。各注入器的光阴极可以被布置为接收来自辐射源(诸如激光器(这里称为光阴极驱动激光器))的辐射束。

各注入器的光阴极可以通过使用电压源而保持处于高电压。例如，注入器的光阴极可以保持在大约几百千伏的电压。激光束的光子被光阴极吸收，并且可以将光阴极中的电子激发到更高的能量状态。光阴极中的一些电子可以被激发到从光阴极发射的足够高的能量状态。光阴极的高电压为负，由此，用来加速从光阴极发射的、远离光阴极的电子，从而形成电子束。

由光阴极驱动激光器提供的激光束可以被脉动为使得电子以对应于激光束的脉冲的束团从光阴极发射。光阴极驱动激光器例如可以为皮秒激光器，由此，激光束中的脉冲可以具有大约几皮秒的持续时间。光阴极的电压可以为直流(DC)电压或交流(AC)电压。在光阴极的电压为AC电压的实施方式中，光阴极电压的频率和相位可以与激光束的脉冲匹配，使得激光束的脉冲与光阴极的电压的峰值一致。

在一些实施方式中，单个光阴极驱动激光器可以向多个注入器的光阴极提供激光束。图9中示意性地例示了两个注入器30、31由单个光阴极驱动激光器50来驱动的示例实施方式。光阴极驱动激光器50被布置为向分束器52发射脉冲激光束51。分束器52被布置为将激光束51分为被分别导向注入器30、31的两个脉冲激光束53、54。脉冲激光束53、54借助注入器30、31的壳体中所设置的相应窗口55、56进入注入器30、31，并且入射在各反射镜57、58上。

第一注入器30的反射镜57被布置为将脉冲激光束53引导到第一光阴极59上，而第二注入器31的反射镜58被布置为将脉冲激光束54引导到第二光阴极60上，这使得光阴极59、60发射相应电子束团E₁、E₂。

为了以备用模式操作注入器30、31中的一个，或者为了允许注入器30、31中的一个为不可操作的(例如，以便维护)，分束器52可以操作为选择性地防止向注入器30、31中的任何一个引导激光辐射。分束器52可以操作为独立改变向各注入器30、31提供脉冲激光束的频率。例如，在第一注入器30操作且第二注入器31将处于备用模式的情况下，向第二注入器31提供脉冲激光束的频率可以低于向第一注入器30提供脉冲激光束的频率。

另选地，分束器52可以总是向两个注入器同等地提供脉冲激光辐射束53、54。在这种情况下，注入器可以通过调整施加于注入器的光阴极的电压来置于备用模式。例如，可以比施加于操作注入器的光阴极的电压更不频繁地将施加于备用注入器的光阴极的电压置于高(从而，减小备用注入器的占空比)。

将理解，图9仅是示意性的，并且各注入器可以包括比所例示的更多的部件。例如，各注入器的光阴极可以容纳在真空室内，并且各注入器可以包括加速电场。

图10示意性地示出了包括注入器装置121、直线加速器122以及波荡器124的自由电子激光器FEL。注入器装置121设置在第一房间180中，并且直线加速器结构122和波荡器124设置在第二房间181中。EUV辐射束B从波荡器124输出，并且可以被提供给光刻设备(例如，以上面关于图1描述的方式)。

注入器装置121包括第一注入器130和第二注入器131。第一注入器130位于第一房间178中，并且第二注入器131位于第二房间179中。各注入器130、131包括它自己的电子源(诸如，例如，光阴极)和加速电场(例如，如图12所示)。加速电场使由电子源生成的电子加速，使得电子以例如大约10MeV的能量离开注入器130、131。注入器130、131生成朝向合并单元133导向的电子束E₁、E₂。合并单元133将电子束E₁、E₂与再循环电子束E_IR(下面进一步描述的再循环电子束E_IR的起源)合并。各注入电子束E₁、E₂在合并单元133处与循环束合并时相对于再循环电子束E_IR对着角α。角α例如可以为大约30°或更小，并且例如可以为大约15°或更小。

在实践中，在正常操作期间，注入器130、131中的一个可以离线，例如，以备用模式操作或关闭以允许日常维护。由此，再循环电子束E_IR与由第一注入器130生成的电子束E₁或由第二注入器131生成的电子束E₂合并。为了方便用辞，合并单元133之后的注入电子束被标注为注入电子束E(代替注入电子束E₁或E₂)。

直线加速器150形成注入器装置121的一部分。直线加速器150使注入电子束E的电子加速并增大它们的能量至少20MeV。因为电子以大约10MeV的能量进入直线加速器150，所以它们以30MeV或更多的能量离开直线加速器。由此，注入器装置提供具有30MeV或更多的能量的电子束。该电子束E穿过开口(未示出)离开第一房间180，并且进入到第二房间181中。

在第二房间181中，直线加速器122使电子束E的电子加速。由直线加速器122提供给电子的能量显著大于由注入器装置121的直线加速器150提供的能量。由直线加速器122提供的能量例如可以为大约100MeV或更多。加速后的电子束E从直线加速器122穿到波荡器124。在波荡器中，以上面进一步描述的方式由电子束E生成辐射束B。

第二房间181中的直线加速器122可以称为主直线加速器122(或第二直线加速器)，并且第一房间180中的直线加速器150可以称为注入器直线加速器150。注入器直线加速器150和主直线加速器122在另选装置中可以设置在同一房间中。

在电子束E由注入器130、131生成之后且在电子束行进到主直线加速器122之前加速电子束E是有利的，因为这显著提高由主直线加速器接收的电子束团的品质。电子束E在从注入器装置121向主直线加速器122行进时可以行进显著的距离(例如，超过10m)。如果电子束E的电子具有大约10MeV的能量(诸如可以被期望为由注入器130、131提供的)，那么当电子行进到主加速器122时，电子束中的电子束团的品质的显著劣化将发生。该场境中的术语“品质”可以被解释为提及电子束团的致密性和电子束团内的电子能量的扩展。劣化由于空间电荷效应而发生。作为微束团不稳定性效应的示例的这些空间电荷效应不可避免。使用注入器直线加速器150加速电子束E显著增大了电子的洛仑兹因子，因此，电子随着它们从注入器装置121行进到主直线加速器122而具有增大的质量。因为减少由于空间电荷力而施加于电子的加速，所以所增加的电子质量减轻由空间电荷效应引起的束团劣化。因此，提高了电子束团的品质。

在实施方式中，如果电子的能量从10MeV提高到30MeV或更多，那么电子的质量增至大约三倍或多于三倍。对应地降低电子束束团劣化三分之二或更多。一些微束团不稳定性效应可以相对于洛伦兹因子γ非线性地减轻，并且例如可以以因子γ²或因子γ³减轻。由此，因为增大电子的能量，所以非常显著地减轻这些微束团不稳定性效应。

注入器直线加速器150可以向电子提供显著多于20MeV的能量。注入器直线加速器150例如可以提供30MeV或更多。注入器直线加速器150例如可以提供50MeV或更多、或60MeV或更多。注入器直线加速器150例如可以被设置为被配置为提供50MeV或更多、或60MeV或更多的模块。另选地，注入器直线加速器150例如可以被设置为这种模块的一半，其可以被配置为提供20MeV或更多、或30MeV或更多。向电子束提供更多能量进一步减轻微束团不稳定性效应，由此，进一步提高由主加速器122接收的电子束团的品质。

可以考虑，代替增大电子束E中的电子的能量，可以简单地减小从注入器到主直线加速器的路径的长度。然而，这样做在实践中是有问题的，并且可能需要短距离内的大弯曲角(例如，超过45°)。例如在注入器130、131位于与主直线加速器不同的房间178、179中时可以是这种情况(这可以期望在操作自由电子激光器FEL期间允许注入器的维护)。由电子束E经历的大弯曲角度将使得电子发射相干同步辐射。由电子束团前面的电子发射的相干同步辐射将与电子束团后面的电子相互作用。由此，相干同步辐射干扰电子束团并劣化它的品质。相干同步辐射的发射以及该辐射与电子束团的相互作用是微束团不稳定性效应的另一个示例。

当使用本发明的实施方式时，非常显著地减轻由电子束E的电子经历的空间电荷不稳定性效应。这允许增大从注入器装置121到主直线加速器的路径的长度，同时作为长度增大的结果，仅引发电子束的电子束团的品质的微弱降低。增加路径的长度可以允许更为逐渐地弯曲电子束E(即，更长的路径长度可用于实现电子束的方向的给定的变化)。电子束方向的变化例如可以使用双极磁体和四极磁体的组合来实现。提供更长的路径长度以容纳双极磁体和四极磁体可以允许双极磁体和四极磁体被设置为使得双极磁体和四极磁体在电子束方向的变化期间使得发射更少的同步辐射(与在更短的路径长度可用于容纳磁体时电子束方向的变化期间发射的同步辐射的量相比)。

由此，通过增大电子束中的电子的能量并从而增大电子的洛仑兹因子(和质量)，减轻微束团不稳定性效应。从而提高由主加速器122接收的电子束中的电子束团的品质。

注入器直线加速器150为能量回收直线加速器。即，注入器直线加速器150从再循环电子束E_IR向注入电子束E传递能量。再循环电子束E_IR以相对于注入器直线加速器中的加速场(例如，射频场)大约180度的相位差进入注入器直线加速器150。电子束团与注入器直线加速器150中的加速场之间的相位差使得再循环电子束E_IR的电子由场减速。减速电子将它们的一些能量传回注入器直线加速器150中的场，从而增大加速注入电子束E的场的强度。这样，能量从再循环电子束E_IR向注入电子束E传递。

在实施方式中，再循环电子束E_IR具有30MeV的能量，并且注入器直线加速器150从再循环电子束E_IR向注入电子束E传递20MeV的能量。由此，从注入器直线加速器150提供具有30MeV的能量的输出电子束E和具有10MeV的能量的再循环电子束E_IR。再循环电子束E_IR由分离单元134与电子束E分离，并且被引导到束流收集器151。

因为注入器直线加速器150为能量回收直线加速器并从再循环电子束E_IR向注入电子束E传递能量，所以注入器直线加速器150比直线加速器不是能量回收直线加速器的情况使用远远更低的能量。注入器直线加速器150可以具有接近于零的平衡腔负载。即，注入电子束E中的电流可以与再循环电子束E_IR中的电流大致匹配，并且从再循环电子束E_IR抽取的能量可以与给予注入电子束E的能量几乎相同。在实践中，给予注入电子束E的能量的量可以略高于从再循环电子束E_IR抽取的能量，在这种情况下，向注入器直线加速器150提供一些能量，以弥补该差异。通常，在再循环电子束E_IR离开注入器直线加速器150时再循环电子束E_IR的能量将与由第一注入器130提供的电子束E₁的能量(或等效地由第二注入器130提供的电子束E₂的能量)大致对应。

如上所述，注入器130、131各包括在电子到达合并单元133之前对电子进行加速的加速电场。加速电场由使用与注入器直线加速器150和主直线加速器122相同的操作原理的直线加速器来提供(即，腔设置有对电子进行加速的射频(RF)场)。然而，注入器130、131内提供的加速与随后加速之间的显著差异是该注入不由能量回收直线加速器提供。由此，必须向注入器130、131提供在电子到达合并单元133之前对电子进行加速所需的所有能量(没有能量为所回收的能量)。例如，为了将电子加速到10MeV，需要大约300kW的功率。如果电子将经由注入器130、131加速到例如30MeV，那么这将需要大约900kW的功率。提供这种高功率的缺点是注入器130、131的低温冷却可能变得有问题。另外，在打开和关掉注入器130、131时，由于跨电源连接的负载的幅度，复杂性可能上升。

因为用于加速电子的能量从再循环电子束E_IR回收，所以使用能量回收注入器直线加速器150将电子加速到30MeV(或一些其他能量)避免了上述问题。注入具有较低能量(例如，10MeV或更少)的电子束然后使用注入器直线加速器150加速电子束的额外益处是再循环电子束E_IR在穿过注入器直线加速器之后具有10MeV或更少的能量。该能量足够低，以避免在束流收集器151中诱导放射性。如果注入电子束具有显著更高的能量(即，20MeV)，那么将在束流收集器151之间添加电子减速单元，以便避免诱导束流加速器中的放射性。

主直线加速器122也是能量回收直线加速器。主线性加速器122中的能量回收以与注入器线性加速器150中的能量回收相同的方式工作。在离开波荡器124之后，电子束E以大约180度的相位差循环通过主线性加速器122。然后，电子束进入注入器装置121，作为与注入电子束合并的E₁、E₂的再循环电子束E_IR。

电子束E的电子束团可以被设置为束团的序列，间隙设置在序列之间。间隙可以称为空白间隙(clearancegap)，并且长于电子束团序列的相邻电子束团之间的间隔。离子借助碰撞电离在电子束路径中由残留气体产生。离子带正电荷，并且离子的生成率使得随着时间的过去，如果未移除离子，则将使电子束E呈中性(例如，离子电荷与每米的电子束的电子电荷匹配)。电子束E中的空白间隙允许离子从电子束路径漂移离去，从而防止或减少所俘获离子的积累。该离子离开电子束路径的漂移可以发生在沿着束路径的任意点处。可以设置用以提高离子漂移离开电子束路径的速度的抽取电极。

如可以从考虑图10理解的，在自由电子激光器中的一些位置处，电子束E和再循环电子束E_IR彼此共同传播。这发生在合并单元133与分离单元134之间，束共同传播穿过注入器直线加速器150(正是该共同传播允许能量回收发生在直线加速器中)。类似地，电子束E和再循环电子束E_IR还穿过主直线加速器122共同传播。

为了使空白间隙在电子束E和再循环电子束E_IR共同传播的位置处是有效的，电子束E中的空白间隙可以与再循环电子束E_IR中的空白间隙同步。除了允许离子漂移出电子束路径之外，随着电子束穿过注入器直线加速器150和主直线加速器122而同步空白间隙还提供不打扰加速器的能量回收操作的优点(如果空白间隙在加速束中没有对应的空白间隙的情况下存在于减速束中，那么加速器将引起加速后的电子束的能量的不需要的波动)。

在实施方式中，为了允许同步空白间隙，图10中所示的两个环路的电子束路径长度彼此相等。第一环路可以从合并单元133开始测量，穿过注入器直线加速器150和主直线加速器122回到合并单元(没有穿过波荡器124)。第二环路可以从主直线加速器122的入口开始测量，穿过主直线加速器和波荡器124，并且回到主直线加速器122的入口。生成空白间隙的速率可以与电子围绕环路中的一个行进所花费的时间对应(围绕第一环路的行进时间将与围绕第二环路的行进时间相同)。这将提供电子束E与再循环电子束E_IR中的空白间隙的同步，因此，离子间隙可以贯穿电子束路径(包括注入器直线加速器150和主直线加速器122)而发生。通常，注入电子束中的空白间隙可以与再循环电子束中的空白间隙同步。

虽然图10示意性地示出了处于与主直线加速器122和波荡器124相同的平面中的注入器装置121，但不是必须就是这样。注入器装置121可以设置在不同平面中。例如，内部设置注入器装置的房间180可以在内部设置主直线加速器122和波荡器124的房间181上方或下方。

通常，自由电子激光器FEL的各房间180-183可以具有辐射屏蔽墙壁、底板以及天花板，使得来自该房间外部的辐射不入射到在房间内部的操作员上(反之亦然)。这例如可以允许操作员在另一个注入器131操作且自由电子激光器FEL的其他部件操作的同时修理一个注入器130。

图11示意性更详细地示出了合并单元133与注入器装置121的第一注入器130和第二注入器131。在图11中，第二注入器131操作，并且第一注入器130被关掉(例如，以允许维护)或处于备用模式。合并单元133使注入电子束E₂与再循环电子束E_IR合并，使得当这两个电子束离开合并单元时，它们以共线方式一起传播。

合并单元133包括双极磁体和四极磁体。在该实施方式中，双极磁体和四极磁体为电磁体(虽然双极磁体和/或四极磁体可以为永磁体)。双极磁体由含有盘状物的正方形161、162、170-173、181、182来示意性表示。双极磁体改变电子束的传播方向(方向变化发生的点由盘状物来示意性表示)。四极磁体由不含有盘状物的矩形163、183、175来示意性指示。四极磁体用以保持电子束聚焦(即，用以防止电子束不需要的发散)。

注入电子束E₂与再循环电子束E_IR由组合双极磁体173来组合。如图示意性例示，注入电子束E₂与再循环电子束E_IR相对于注入器装置的轴线A(由点线指示)具有不同的取向。在该实施方式中，注入电子束E₂在进入组合双极磁体173时相对于轴线A对着例如大约15°的角。再循环电子束E_IR在进入组合双极磁体173时相对于轴线A对着例如大约2°的角。注入电子束具有大约10MeV的能量，并且再循环电子束E_IR在该示例中具有大约80MeV的能量。

在电子束E₂、E_IR穿过组合双极磁体时，组合双极磁体173使电子束E₂、E_IR这两者向右弯曲。由组合双极磁体173应用于电子束E₂、E_IR的弯曲角度与电子束的能量成反比。具有10MeV的能量的注入电子束E₂被弯曲大约15°的角度，使得在注入电子束E₂离开组合双极磁体173时沿轴线A的方向传播。具有80MeV的显著更高能量的再循环电子束E_IR被弯曲大约2°的角度。2°的弯曲角度使得在再循环电子束E_IR离开组合双极磁体173时也沿轴线A的方向传播。注入电子束E₂进入组合双极磁体173时的空间位置和再循环电子束E_IR进入双极磁体时的空间位置被选择为使得注入电子束E₂和再循环电子束E_IR这两者在离开组合双极磁体173时具有相同的空间位置。由此，组合双极磁体173组合两个电子束，使得在离开组合双极磁体时，这两个电子束沿着轴线A传播(它们彼此共线)。

图11中所示的其他双极磁体161、162、170-172被配置为将电子束E₂、E_IR以相对于轴线A使得电子束两者在离开组合双极磁体173时沿着中心轴线传播(即，它们将共线)的角度和空间位置传递到组合双极磁体173。因为电子束E₂、E_IR的能量在自由电子激光器的设计期间确定，所以可以在设计自由电子激光器时选择双极磁体的基本配置。为了提供束对齐，由双极磁体161、162、170-173提供的束弯曲角度可以在安装注入器装置121期间调整。

除了以相对于轴线A所期望的角度和空间位置向双极磁体173传递电子束E₂、E_IR之外，双极磁体161、162、170-172还可以被配置为维持(或大致维持)电子束中的电子束团品质。由此，

一对双极磁体161、162设置在注入电子束E₂的路径中。第一双极磁体161被布置为使注入电子束E₂向右边弯曲，并且第二双极磁体162被布置为使注入电子束E₂向左边弯曲。在穿过该对双极磁体161、162之后，然后，注入电子束E₂穿过使注入电子束向右边弯曲的组合双极磁体173。由此，注入电子束E₂穿过三个双极磁体161、162、173。注入电子束E₂还穿过设置在第一双极磁体161之前、第一双极磁体161与第二双极磁体162之间以及第二双极磁体162之后的四极磁体。

双极磁体161、162被配置为以相对于轴线A所期望的角度(所期望的角度例如可以为15°)向组合双极磁体173传递注入电子束E₂。四极磁体163设置在第一双极磁体161之前、第一双极磁体161与第二双极磁体162之间以及第二双极磁体162之后。四极磁体163保持注入电子束E₂聚焦(即，防止注入电子束的不需要的发散)。组合地，三个双极磁体161、162、173和三个四极磁体163提供大致无色的(achromatic)注入电子束E₂的弯曲(即，组合双极磁体173之后电子束的位置和方向独立于注入电子束E₂的能量)。双极磁体161、162、173和四极磁体163还提供大致等步的(isochronous)注入电子束E₂的弯曲(即，电子的所有能量沿着同一路径长度行进)。为了获得具有所期望的束团品质的电子束，可以在安装期间执行双极磁体161、162、173和四极磁体163的一些调整。调整例如可以将注入器线性加速器150之后的电子束团的品质考虑在内。在一些情况下，注入器线性加速器150之后最好的电子束团品质可以通过例如使用双极磁体161、162、173和四极磁体163将少量的色品故意引入到注入电子束E₂。通常，双极磁体161、162、173和四极磁体163可以被调整为在线性加速器150之后提供具有期望的品质的电子束团。

注入电子束E₂在到达所述第一四极磁体163之前可以沿着螺线管(未示出)行进。螺线管可以穿过内部定位第二注入器131的房间179的墙壁(参见图10)。

再循环电子束E_IR穿过四个双极磁体170-173。这些双极磁体170-173具有可逆的极性。即，可以反转由各双极磁体170-173应用于再循环电子束E_IR的弯曲角度。这通过切换流过双极磁体170-173的电流的方向来实现，从而交换这些双极磁体的B场方向。

当第二注入器131操作并且第一注入器130被关掉(或处于备用模式)时，双极磁体170-173被配置为使得再循环电子束E_IR遵循由图11中的实线示意性指示的路径。即，第一双极磁体170使再循环电子束E_IR向右边弯曲，第二双极磁体171使再循环电子束E_IR向左边弯曲，并且第三双极磁体172使再循环电子束E_IR向右边弯曲。在该示例中，双极磁体170-173以相对于轴线A大约2°的角度向组合双极磁体173传递再循环电子束E_IR。双极磁体170-173被布置为减速弯道。减速弯道以所期望的角度向组合双极磁体173传递再循环电子束E_IR，使得在再循环电子束E_IR离开组合双极磁体时沿着轴线A引导再循环电子束。

如上所注意的，注入电子束E₂和再循环电子束E_IR的入射角度以及它们各自的能量使得两个电子束在离开组合双极磁体173时沿着轴线A传播。注入电子束E₂和再循环电子束E_IR穿过四极磁体175，然后向注入器直线加速器150(参见图10)行进。

可以期望关掉第二注入器131并使用第一注入器130为自由电子激光器提供电子束E₁(即，在操作的第二模式与操作的第一模式之间切换)。在这样的情况下，全部切换作用在再循环电子束E_IR的双极磁体170-173的极性。这可以通过切换流过双极磁体170-173的电流的方向来实现。然后，再循环电子束E_IR遵循由短划线指示的束路径。这在使用第二注入器131时实际上是由再循环电子束E_IR遵循的路径的镜像(关于轴线A反射)。由此，再循环电子束E_IR由第一双极磁体170向左边弯曲，然后由第二双极磁体171向右边弯曲，然后由第三双极磁体172向左边弯曲。从而，再循环电子束以大约2°但从轴线A的相对侧传递到组合双极磁体173。

类似地，注入电子束E₁遵循也由短划线指示的路径。注入电子束E₁穿过两个双极磁体181、182和三个四极磁体183。这些磁体以与上面关于其他注入电子束E₂而描述的方式对应的方式来操作，并且以大约15°但从轴线A的相对侧传递到组合双极磁体173。

注入电子束E₁和再循环电子束E_IR的能量和入射角使得组合双极磁体173向电子束应用不同程度的弯曲，两个电子束在离开组合双极磁体时沿着轴线A共线传播。

上述描述提及注入电子束E₁、E₂的大约15°的入射角和再循环电子束E_IR的大约2°的入射角。然而，将理解，可以使用任意合适的角度(例如，注入电子束E₁、E₂的多达大约30°的入射角和再循环电子束E_IR的多达大约4°的入射角)。如上面所注意的，由组合双极磁体173应用的弯曲角度与电子束的能量成反比。由此，当配置注入器装置121时，可以使用将在注入器装置121操作时存在的电子束能量(将提前已知的电子束的能量)来选择双极磁体161、162、170-173、181、182的配置。

再次参照图10，可以看出，注入电子束E₂似乎与再循环电子束E_IR在合并单元133的上游处交叉。在实践中，电子束不相交，而是注入电子束E₂穿过再循环电子束E_IR上方。双极磁体用于使再循环电子束E_IR在穿过注入电子束E₂下方之后向上移动，使得两个束在进入合并单元133之前在同一平面内传播。注入电子束E₂和再循环电子束E_IR的平面可以与合并单元33之后的合并后电子束E、E_IR的平面对应。该平面例如可以是大致水平的。在另选装置中，注入电子束E₂在合并单元133之前可以穿过再循环电子束E_IR下方。

从第一注入器130提供的注入电子束E₁与再循环电子束E_IR组合的第一操作模式到从第二注入器131提供的注入电子束E₂与再循环电子束组合的第二操作模式的切换可以由控制器(未示出)来控制。控制器可以包括处理器。控制器可以通过切换向双极磁体提供的电流的方向来切换减速弯道的双极磁体170-173的极性。

图12是注入器230的实施方式的示意图。注入器230包括电子枪231(可以被认为是电子源)、电子助力器233以及控向单元240。电子枪231包括被布置为支撑真空室232内部的光阴极243的支撑结构242。应理解，在工业中，可以在没有光阴极243的情况下销售注入器230，光阴极234可以被认为是用于注入器230的可替换零件。

电子枪231被配置为接收来自辐射源235的辐射束241。辐射源235例如可以包括发射激光束241的激光器235。激光器235可以称为光阴极驱动激光器。激光束241被引导穿过激光束调整单元238并借助窗口237进入到真空室232中。激光束241被反射镜239反射，使得激光束241入射在光阴极243上。为了防止反射镜239带正电荷，反射镜239例如可以被金属化并连接到接地。

激光束调整单元238、窗口237以及反射镜239可以都被认为是将激光束241引导到光阴极243的区域上的束传递系统的部件。在其他实施方式中，束传递系统可以包括比激光束调整单元238、窗口237以及反射镜239更多或更少的部件，并且可以包括其他光学部件。束传递系统可以包括适于将激光束241引导到光阴极243的区域上的任意部件。例如，在一些实施方式中，束传递系统可以仅由被配置为支持激光器235使得将由激光器235发射的激光束241引导到光阴极243的区域上的支持件组成。

光阴极243可以通过使用形成电子枪232的一部分或与电子枪232分离的电压源(未示出)来保持处于高电压。例如，光阴极243可以保持在大约几百千伏的电压。激光束231的光子由光阴极243来吸收，并且可以将光阴极243中的电子激励为更高的能量状态。光阴极243中的一些电子可以被激励到从光阴极243发射的足够高的能量状态。光阴极243的高电压为负，由此，用来加速从光阴极243发射的、远离光阴极243的电子，从而形成电子束E。

如上面进一步所述的，激光束241可以被脉动为使得电子以对应于激光束241的脉冲的束团从光阴极243发射。因此，电子束E为聚束的电子束。激光器235例如可以为皮秒激光器，由此，激光束241中的脉冲可以具有大约几皮秒的持续时间。光阴极243的电压可以为直流(DC)电压或交流(AC)电压。在光阴极243的电压为AC电压的实施方式中，光阴极电压的频率和相位可以与激光束241的脉冲匹配，使得激光束241的脉冲与光阴极243的电压的峰值一致。

从自由电子激光器FEL发射的辐射量至少部分取决于波荡器24中的电子束E的峰值电流。为了增大波荡器24中的电子束E的峰值电流并因此增大从自由电子激光器FEL发射的辐射量，可以期望增大从光阴极243发射的电子束团的峰值电流。例如，可以期望光阴极243发射具有超过1毫安的峰值电流的电子束团。

来自激光束241的每一个光子由光阴极243发射的电子数被称为光阴极的量子效率。可以期望光阴极243包括具有高量子效率的材料，使得对于给定数量的激光束241的光子从光阴极243发射具有大峰值电流(例如，大于1毫安的峰值电流)的电子束E。光阴极243例如可以包括一种或多种碱金属，并且可以包括含有一种或多种碱金属和锑的化合物。例如，材料膜63可以包括锑化钠钾。这种光阴极243例如可以具有百分之几的量子效率。例如，光阴极可以具有大约5％的量子效率(这可以被认为是高量子效率)。

真空室232从电子枪231开始延伸并且穿过电子助力器233，由此，形成电子束E行进穿过的束通道234。束通道234围绕轴线245延伸。在向不使用能量回收的直线加速器直接传递电子束E的实施方式中，轴线245可以与电子束E穿过直线加速器22的所期望的路径相对应，并且可以为电子遵循波荡器24中的振荡路径所围绕的轴线(如上所述)。在经由合并单元向传递电子束E以与再循环电子束结合的实施方式中，轴线245可以与电子束E在离开注入器230时的所期望的路径对应(所期望的路径使得将以所期望的入射角由双极磁体向合并单元传递电子束)。

轴线245可以与束通道234的几何中心和/或光阴极243的几何中心一致。在另选实施方式中，轴线245可以与束通道234的几何中心和/或光阴极243的几何中心分离。通常，轴线245为可期望在电子束E通过控向单元240之后与电子束E大致一致的轴线。

从光阴极243发射的电子束团中的电子均经由作用在电子之间的排斥静电力被彼此排斥。这是空间电荷效应，并且可能使得电子束团扩展开。位置和动量相空间中的电子束团的扩展可以由电子束E的发射率来表征。由于空间电荷效应而产生的电子束团的扩展开增大电子束E的发射率。可以期望电子束E在直线加速器22、122、159以及波荡器24、124(参见图3和图10)中具有低发射率，因为这可以提高将来自电子的能量转换成波荡器24中的辐射的效率。

为了限制电子束E的发射率的增大，在电子助力器233中加速电子束。在电子助力器233中加速电子束团减少由空间电荷效应引起的电子束团的扩展。有利的是，在由于空间电荷效应而显著增大电子束E的发射率之前，(使用电子助力器233)加速靠近光阴极243的电子束E。

电子助力器233例如可以将电子束团加速到超出大约0.5MeV的能量。在一些实施方式中，电子助力器233可以将电子束团加速到超出大约5MeV的能量。在一些实施方式中，电子助力器233可以将电子束团加速到多达大约10MeV的能量。电子助力器233例如可以将电子束团加速到大约10MeV的能量。

在一些实施方式中，电子助力器233可以位于与图12中所述的控向单元240的上游相对的控向单元240的下游。

电子助力器233以与上述直线加速器22相同的方式操作，并且例如可以包括多个射频腔247(图12中所描绘)和一个或多个射频电源(未示出)。射频电源可操作为控制沿着束通道234的轴线245的电磁场。在电子束团在腔247之间穿过时，由射频电源控制的电磁场使得各电子束团加速。腔247可以为超导射频腔。另选地，腔247可以为常规传导的(即，不是超导的)，并且例如可以由铜形成。电子助力器233可以包括直线加速器。

在另选实施方式中，电子助力器233例如可以包括激光加速器，其中，电子束E穿过聚焦激光束，并且激光束的电场使得电子加速。还可以使用其他类型的电子助力器。

电子束E沿着束通道234行进，并且或者穿到合并单元33、133(在使用LINAC时)或者直接穿到直线加速器(在使用无能量回收直线加速器时)。束通道234被抽成真空压力条件，但可以含有一些残留气体分子。电子束E可以与残留气体分子碰撞，并且可以使气体分子离子化，从而产生带正电荷的离子。电子的能量在加速电子时增大，并且该增大的能量导致产生更多的离子。

贯穿自由电子激光器FEL的带正电荷的离子被吸引到电子束的路径，电子束的负电荷充当带正电荷的离子的势阱。离子具有比电子显著更高的质量，因此，例如不由电子助力器233的腔247加速。离子将沿着束通道234扩散，并且例如可以行进回到注入器230中。到达注入器230的离子由于光阴极243的电压而被吸引到光阴极243，并且可以与光阴极243碰撞。

行进返回注入器230的正离子将沿着电子束E的路径行进。由离子朝向注入器行进的最后一部分路径将是直线的(例如，与图11中所示注入器130与四极磁体183之间的路径对应)。该直线路径例如可以穿过含有注入器130的房间的墙壁。直线路径可以位于螺线管内。由正离子行进的直线路径可以与图12中所示的轴线245对应。

与光阴极243的离子碰撞可能损坏光阴极243。具体地，离子与光阴极243的碰撞可能引起材料从光阴极243飞溅。光阴极243的损坏可能引起光阴极243的组成变化，这可能降低光阴极243的量子效率，因此，减小从光阴极243发射的电子束E的峰值电流。另外地或另选地，由离子碰撞引起的光阴极243的损坏可能引起光阴极243的表面粗糙度增大。光阴极243表面粗糙度的增大可能导致从光阴极243发射的电子束E的发射率增大和/或可能导致光阴极243的量子效率降低。因此，与光阴极243的离子碰撞可能随着时间的过去而减小电子束E的峰值电流和/或增大电子束E的发射率。

除了与光阴极243的离子碰撞的效应之外，激光束241可能引起对由激光束241照射的光阴极243的区域的损坏。类似于离子碰撞的效应，激光束241可能引起表面粗糙度的增大和/或光阴极243的组成的变化，这可能降低由激光束241照射的光阴极243的区域的量子效率，并且可能增大从该区域发射的电子束E的发射率。

由离子碰撞和/或激光束241引起的对光阴极243的损坏可能缩短光阴极的有效寿命。因此，可以期望减小对光阴极243的损坏和/或可以期望减小光阴极243的损坏对从光阴极243发射的电子束E的峰值电流和发射率的影响。这可以提高光阴极243的有效寿命。

图13是沿着轴线245看到的光阴极243的示意图。如上所述，离子由于由电子束E引起的势阱而变得与电子束E对齐。电子束E的路径在从注入器230穿过期间通常可以与轴线245大致一致。在这些离子进入注入器230且与光阴极243碰撞的情况下，因此，离子将与靠近轴线245与光阴极243相遇的位置的光阴极243碰撞。因此，与光阴极243碰撞的大部分离子可能在围绕轴线245的碰撞区域249(图13中所示)中影响光阴极243(这可以与光阴极的几何中心对应)。

碰撞区域249中的离子碰撞可能改变光阴极243的组成和/或增大这个区域249中光阴极243的表面粗糙度。因此，从碰撞区域249发射的电子束E可能(由于碰撞区域249中降低的量子效率)比从除了碰撞区域249之外的光阴极243的区域发射的电子束E具有更低的峰值电流和/或更高的发射率。为了增大峰值电流和/或为了减小电子束E的发射率，激光束241可以被引导为入射在与轴线245分离且与碰撞区域249分离的光阴极243的照射区域251上。例如，照射区域251可以与轴线245分离大约几毫米的距离。因为照射区域251与轴线245分离，所以相对少的离子与照射区域251碰撞。因此，照射区域251的组成和表面粗糙度不会由于与光阴极243的离子碰撞而显著降低，由此，可以从照射区域251发射具有高峰值电流和低发射率的电子束E。

将激光束241引导为入射在与轴线245分离的光阴极243的照射区域251上使得从照射区域251发射的电子束E的位置从轴线245偏移定位偏移253。当电子束E在与轴线245分离的位置处从光阴极243发射时，与光阴极243关联的电场可以使得电子束E以不与如图12所示的光阴极的表面垂直的角度252发射。例如，在光阴极243的几何中心与轴线245一致的实施方式中，仅大致在轴线245处发射的电子沿垂直于光阴极243的表面的方向发射。因此，电子束E可以以距离轴线245的定位位移253和角位移252来发射。

注入器装置的随后部件(例如，合并单元或直线加速器)可以被配置为加速位置和轨迹与轴线245大致一致的电子束E。因此，可以期望改变电子束E的轨迹，以便修正距离轴线245的定位位移253和角位移245，使得电子束E在离开注入器230时与轴线245大致一致。

为了对齐电子束E与轴线245，用控向单元240调整电子束E(图12中所示)。控向单元240被配置为改变电子束E的轨迹，使得电子束E的轨迹在电子束离开控向单元240时与轴线245大致一致。控向单元240例如可以包括被配置为在束通道234中产生磁场的一个或多个电磁体。磁场可以对电子束E施加用以改变电子束E的轨迹的力。在图12中所示的实施方式中，电子束的轨迹由控向单元240来改变，直到电子变得与轴线245大致一致为止。

在控向单元包括一个或多个电磁体的实施方式中，电磁体可以被布置为形成磁偶极、磁四极、磁六极和/或被配置为向电子束E施加力的任意其他种类的多极磁场结构中的一个或多个。另外地或另选地，控向单元240可以包括一个或多个带电板，带电板被配置为在束通道234中产生电场，使得向电子束E施加力。通常，控向单元240可以包括可操作为向电子束E施加力以改变电子束E的轨迹使得电子与轴线245一致的任意设备。

穿过控向单元240的任意离子的质荷比远远大于电子束E中的电子的质荷比。因此，控向单元240实质上不调整朝向光阴极243穿过控向单元240的离子的行进位置或行进方向。穿到注入器230(例如，从直线加速器22)的离子可以具有足够的动量，使得由注入器230中的电子束E产生的势阱实质上不改变注入器230中的离子的路径。这具有使离子的路径(这个路径与轴线245大致一致)与注入器230中的电子束E分离的效果，并且允许光阴极243上的碰撞区域249的位置与由激光束241照射的光阴极243的区域251分离。这确保发射电子束E的光阴极243的照射区域251与易于由离子碰撞而损坏的碰撞区域249分离。这可以确保与光阴极243的离子碰撞实质上不减小峰值电流或增大电子束E的发射率。

然而，如上所述，入射在光阴极243上的激光束241可能随着时间的过去而损坏由激光束241照射的光阴极243的区域，并且可能减小峰值电流和/或增大从光阴极243发射的电子束E的发射率。除了由激光束241引起的、由激光束241照射的光阴极243的区域的损坏之外，照射区域251还可能被注入器230中由气体分子与尚未穿过控向单元240的电子之间的碰撞而产生的离子损坏。控向单元240之前产生的离子可以被吸引到控向单元240之前的电子束E的路径，因此，可以沿着电子束E的路径扩散，以与由激光束241照射的光阴极243的区域251碰撞。然而，通常在注入器230中比在注入器的下游的位置处产生更少的离子，因此，由激光束241照射的光阴极243的区域251的损坏比碰撞区域249的离子损坏更不显著。

为了提高光阴极243的有效寿命，可以改变由激光束241照射的光阴极243的区域251。例如，在激光束入射在照射区域251上且照射区域251可能已经被损坏的时间段之后，光阴极上激光束241的位置可以变为新的照射区域251’(如图13所示)。激光束241可以入射在新照射的区域251’上持续另外一个时间段，直到新的照射区域251’被损坏。然后，由激光束241照射的光阴极243的区域可以再次变为另外的新照射区域(未示出)。可以循环地改变由激光束241照射的光阴极243的区域的位置，从而在光阴极243上扫描激光束241，以便照射之前尚未被照射并因此未被损坏的光阴极243的新区域。

这可以允许将光阴极243的大的区域用于在光阴极243的寿命期间发射电子束E，因此，可以提高光阴极243的总有效寿命。改变由激光束241照射的光阴极243的区域例如可以允许以10或更多的因子提高光阴极243的有效寿命。

可以连续改变或者可以逐步改变由激光束241照射的光阴极243的区域。在逐步改变由激光束241照射的光阴极243的区域的实施方式中，步骤可以周期性地发生。在另选实施方式中，步骤可以非周期性地发生。

由激光束241照射的光阴极243的区域例如可以由激光束调整单元238(图12中所示)来改变。激光束调整单元238可以包括一个或多个反射镜、透镜或适于改变激光束241的一个或多个特性的其他光学部件。例如，激光束调整单元238可以改变激光束241的传播方向，使得改变激光束241入射在反射镜239上的位置和激光束241入射在光阴极243上的位置。

在另选实施方式中，由激光束241照射的光阴极243的区域可以通过改变反射镜239的位置和/或取向来改变。例如，可以倾斜和/或移动反射镜239，以便改变激光束241从反射镜239发射的方向，从而改变由激光束241照射的光阴极243的区域。反射镜239的位置和/或取向可以使用可操作为改变反射镜239的位置和/或取向的致动器(未示出)来改变。

在另外的另选实施方式中，由激光束241照射的光阴极243的区域可以通过改变激光器235的位置和/或取向来改变。例如，可以倾斜和/或移动激光器235，以便改变由激光束241照射的光阴极243的区域。激光器235的位置和/或取向可以使用可操作为改变激光器235的位置和/或取向的致动器(未示出)来改变。

在又一实施方式中，由激光束241照射的光阴极243的区域可以通过改变光阴极243的位置和/或取向来改变。例如，可以在保持激光束241的位置恒定的同时旋转光阴极243，使得由激光束241照射的光阴极243的区域在光阴极243上旋转。另选地，可以改变光阴极243和激光束241这两者的位置和/或取向，以便改变由激光束241照射的光阴极243的区域。

光阴极243的位置和/或取向可以由致动器(未示出)来改变。例如，支撑结构242可以包括可操作为改变光阴极243的位置和/或取向的致动器。

激光束调整单元238、可操作为改变反射镜239的位置和/或取向的致动器、可操作为改变激光器235的位置和/或取向的致动器、以及可操作为改变光阴极243的位置和/或取向的致动器全部是可操作为改变由激光束241照射的光阴极243的区域的调整机构的示例。将理解，其他调整机构可以在不偏离本发明的范围的情况下用于改变由激光束241照射的光阴极243的区域。各调整机构可以单独使用，或者可以与用于改变由激光束241照射的光阴极243的区域的一个或多个其他调整机构组合使用。

由激光束241照射的光阴极243的区域可以确定电子束E距离轴线245的角位移252和定位位移253。因此，由激光束241照射的光阴极243的区域的变化可能引起距离轴线245的角位移和/或定位位移的对应变化。响应于由激光束241照射的光阴极243的区域的变化，控向单元240可以调整施加于电子束E的力，使得根据电子束的调整后的角位移和定位位移来改变电子束E的轨迹，使得电子束E在调整之后继续与轴线245一致。因此，控向单元240可以操作为响应于由激光束241照射的光阴极243的区域而调整施加于电子束E的力。

在控向单元240包括一个或多个电磁体的实施方式中，控向单元240可以调整流过一个或多个电磁体的线圈的一个或多个电流。对一个或多个电流的调整可以引起由控向单元240生成的磁场的变化，因此，改变由控向单元240施加于电子束E的力。

在另选实施方式中，控向单元240可以为可机械移动的。例如，响应于由激光束241照射的光阴极243的区域的变化，可以倾斜、旋转和/或平移控向单元240，以便调整施加于电子束E的力。

控向单元240可以由控制器236(图12中所示)来控制。另外地或另选地，控制器236可以控制激光束调整单元238。控制器236例如可以为可编程逻辑控制器。控制器236可以使得激光束调整单元238改变由激光束241照射的光阴极243的区域。控制器236可以进一步使得控向单元240响应于由激光束241照射的光阴极243的区域的变化而调整施加于电子束E的力，使得电子束E在调整之后继续与轴线245一致。控向单元240例如可以通过流过控向单元240的一个或多个磁体的一个或多个电流来调整施加于电子束E的力。

在另选实施方式中，控制器236可以控制激光器235、反射镜239以及光阴极243中的一个或多个，以便引起由激光束241照射的光阴极243的区域的变化。通常，控制器236可以控制可操作以改变由激光束241照射的光阴极243的区域的任意调整机构。

在一些实施方式中，控向单元240可以响应于电子束E的测量而向电子束施加力。例如，电子束测量装置(未示出)可以位于电子束E附近，并且可以测量电子束E的位置。控向单元240可以将电子束E的测量用于计算并向电子束E施加力，使得电子与轴线245一致。当对上面激光束242入射的光阴极的区域进行改变时，这可以引起可以由电子束测量装置测量的电子束E的位置的变化。电子束测量装置可以向控向单元240通信电子束的位置变化。控向单元240可以响应于电子束E的位置变化而调整施加于电子束E的力，使得由控向单元施加的力改变电子束E的轨迹，使得电子束与轴线245一致。

在实施方式中，激光束测量装置和控制器236可以组合使用。在这种实施方式中，激光束测量装置可以与控制器236通信。

在一些实施方式中，控向单元240可以响应于由激光束241照射的光阴极243的区域的变化而不调整施加于电子束E的力。例如，在由激光束241照射的光阴极243的区域通过在激光束241的位置保持恒定的同时旋转光阴极243而被改变的实施方式中，电子束E距离轴线245的定位位移253和角位移252不变化。在这种实施方式中，电子束E的轨迹可以继续由控向单元240来改变，使得电子在不调整由控向单元240施加在电子束E上的力的情况下与轴线245一致。

在一些实施方式中，电子枪231的位置和/或取向可以响应于由激光束241照射的光阴极243的区域的变化来调整。例如，响应于由激光束241照射的光阴极243的区域的变化，电子枪231的位置和/或取向可以被调整为使得离开电子枪231的电子的轨迹与在由激光束241照射的光阴极243的区域变化之前的电子的轨迹大致相同。在这种实施方式中，由控向单元240施加于电子束E的力可以保持大致恒定。另选地，电子枪231的位置和/或取向以及由控向单元240施加于电子束E的力这两者可以响应于由激光束241照射的光阴极243的区域的变化而调整。

电子枪231的位置和/或取向可以使用可操作为改变电子枪231的位置和/或取向的致动器(未示出)来调整。在一些实施方式中，电子助力器233的位置和/或取向还可以随着电子枪231的位置和/或取向的调整而调整(例如使用致动器)。

在一些实施方式中，由激光束241照射的光阴极243的区域可以被改变为使得跨光阴极243扫描激光束241。另选地，可以在除了碰撞区域249之外的光阴极243的大致全部上扫描激光束241。

在其他实施方式中，可以仅在光阴极243的一部分上扫描激光束241。例如，由激光束241照射的光阴极243的区域可以保持在光阴极243的内部255(图13中所示)的内部。内部255可以对应于光阴极243位于距离轴线245距离R内的部分。距离R可以表示控向单元240可操作为施加力(这个力调整电子束E使得电子与轴线245一致)的电子束E距离轴线245的最大定位位移253。例如，从内部区域255的区域外部发射的电子束E可以从轴线245位移如此远，以致电子束E可能在到达控向单元240之前与束通道234的外界限碰撞。另选地，电子束E可能以这样的距离轴线245的位移到达控向单元240，该位移对于控向单元240太大而不能改变电子束E的轨迹使得电子与轴线245一致。

可以期望离开注入器230的电子束团具有特定的形状和电荷分布。例如，可以期望电子束团具有圆形横截面且沿着它的长度具有均匀的电荷密度。然而，由控向单元240施加于电子束E的力除了改变电子束E的轨迹之外，还可能引起电子束E的束团的形状和/或电荷分布变化。例如，控向单元240可以沿特定方向压缩或扩展电子束团E。

为了减轻由控向单元240引起的电子束团的形状和/或电荷分布的任意变化的影响，由激光束241照射的光阴极243的区域的形状可以被控制为产生在穿过控向单元240之后具有所期望的形状和/或电荷分布的电子束团。例如，由激光束241照射的光阴极243的区域可以是椭圆形状的，以便使得从光阴极243发射具有椭圆横截面的电子束团。随后，电子束团可以沿着电子束团的椭圆横截面的半长轴由控向单元240来压缩，使得电子束团被压缩成在离开注入器230时具有圆形横截面。

通常，由激光束241照射的光阴极243的区域的形状可以被控制为使得从照射区域发射的电子束在控向单元240向电子束施加力之后呈现一个或多个所期望的特性。一个或多个所期望的特性例如可以为电子束的电子束团的特定形状和/或电荷分布。

对于由激光束241照射的光阴极243的不同区域，由控向单元240施加于电子束E的力可以不同。因此，对于从光阴极243的不同区域发射的电子束团，由控向单元240而引起的电子束团的形状和/或电荷分布的任意变化可以不同。例如，如果由激光束241照射的光阴极243的区域被移动远离轴线245，那么控向单元240可以增大施加于电子E的力。这还可以增大由控向单元240而引起的电子束E的电子束团的形状和/或电荷分布的变化。

为了适应从光阴极243的不同区域发射的电子束团的形状和/或电荷分布的不同变化，可以对于激光束241在光阴极243上的不同位置调整由激光束241照射的光阴极243的区域的形状。例如，如果由激光束241照射的光阴极243的区域被移动为远离轴线245，那么可以增大光阴极243的椭圆形状的照射区域的离心率。预期控向单元240中电子束团的形状的更大压缩，这可以增大从光阴极243发射的电子束团的横截面形状的离心率。这可以确保离开控向单元240的电子束团具有所期望的形状和/或电荷分布。

由激光束241照射的光阴极243的区域的形状可以由激光束调整单元238来控制。例如，激光束调整单元238可以控制激光束241的形状，使得上面激光束241入射的光阴极的区域的形状被控制为引起具有所期望的特性(例如，所期望的形状和/或电荷分布)的电子束团的发射。从光阴极243发射的电子束团的所期望的特性可以将被期望发生在控向单元240中的电子束团的特性的任意变化考虑在内。从光阴极243发射的电子束团的所期望的特性可以对于发射电子束团的光阴极243的不同区域而不同。

另外地或另选地，由激光束241照射的光阴极243的区域的形状可以通过控制可操作为改变反射镜239的位置和/或取向的致动器来控制。

如上面进一步注意的，通过将照射区域251与碰撞区域249分离，电子束E从接收更少离子碰撞的光阴极的区域发射，因此更不易于被离子碰撞损坏。这可以延长可以从光阴极243发射具有高峰值电流和低发射率的电子束的时间段，因此，可以延长光阴极243的有效寿命。

然而，因为离子碰撞可能使得来自光阴极243的材料在碰撞区域249中飞溅，所以碰撞区域249外部的光阴极243的区域可能仍然受碰撞区域249中的离子碰撞影响。从碰撞区域249飞溅的一些材料可以返回到光阴极243，并且可以沉积在碰撞区域249外部的光阴极243的区域上。所飞溅的材料例如可以沉积在沉积区域254内部。沉积区域254例如可以如图13所示与照射区域251、251’交叠。

光阴极243的沉积区域254上所沉积的所飞溅的材料可能改变光阴极243的沉积区域254的全部或部分的化学组成。这可能使得降低沉积区域254的全部或部分的量子效率。例如，照射区域251的全部或部分的量子效率可能经由所沉积的所飞溅的材料降低。除非响应于沉积区域254的全部或部分的量子效率的降低而增大激光束241的功率，那么将减小从照射区域251发射的电子束E的峰值电流。

所飞溅的材料可以均匀地沉积在光阴极243上。例如，更靠近碰撞区域249的光阴极243的区域上可能沉积比更远离碰撞区域249的区域上更多的所飞溅的材料。这例如可能引起光阴极243的量子效率的径向梯度。

光阴极243的量子效率的径向梯度可能引起从光阴极243发射的电子束团的不均匀电荷分布。例如，照射区域251的量子效率可能在更远离碰撞区域249的照射区域251的部分中比在更靠近碰撞区域249的照射区域251的部分中更大。当激光束241的脉冲入射在照射区域251上时，因此，从具有更高量子效率的照射区域251的部分比从具有更低量子效率的部分发射更多的电子。因此，将发射具有不均匀电荷分布的电子束团。这可能是不利的，因为对于具有不均匀电荷分布的电子束团可能降低来自电子束团的能量转换成波荡器24中的辐射的效率。

由光阴极243上所沉积的所飞溅材料引起的光阴极243的量子效率的不均匀分布还可能引起从光阴极243发射的电子束E的电流的不稳定性。电流不稳定性可能本质上是不稳定的，并且可能具有高频率。这种电流不稳定性难以预料和例如通过调制激光束241的功率而修正。

除了引起来自光阴极243的材料的飞溅之外，与光阴极243碰撞的离子可能将它们的一些能量以热能的形式传递到光阴极243。这可能使得加热光阴极243的区域。光阴极243的发热可能引起来自光阴极243的电子的一些光离子发射。来自光阴极243的电子的热电子发射可能发生在激光束241的脉冲期间，并且有时发生在激光束241的脉冲之间。由此，可能在光阴极243未被激光束241照射时发射电子。光阴极243未被激光束241照射时发射的电子引起电子从光阴极243的流动，称为暗电流。

暗电流电子不与电子助力器233或直线加速器22、122、150中的高频反向电磁场同步。因此，暗电流电子可以取决于它们到达电子助力器233和/或直线加速器22、122、150的时间而呈现宽范围的能量。暗电流电子的宽范围的能量意味着可以被设计为引导或聚焦自由电子激光器FEL中的电子的自由电子激光器FEL的元件可以对暗电流电子具有改变效应。因此，暗电流电子可以为难以控制的杂散电子。

杂散暗电流电子可能与自由电子激光器FEL的元件碰撞，这可能引起对自由电子激光器的元件的损坏。例如，暗电流电子可能与波荡器24、124的磁部件碰撞。这可能使得波荡器消磁，这可能减少波荡器的有效寿命。电子还可能与自由电子激光器的其他部件(诸如束通道234的外界限)碰撞，这可能使得束通道234变为放射性的。

如上所述，与光阴极243的离子碰撞可能引起来自光阴极243的材料的飞溅和/或光阴极243的发热，这导致来自光阴极243的暗电流的发射增加。这两个效应如上所述可能在自由电子激光器中具有不利的后果。因此，期望提供在与光阴极243的离子碰撞的情况下减少或消除来自光阴极243的材料的飞溅和/或减小光阴极243的发热的光阴极243。

图14是根据本发明的实施方式的光阴极的示意图。图14是光阴极243的横截面(从上面看时可以具有图13中所示的形式)。光阴极243包括上面布置材料膜263的衬底261。衬底例如可以包括硅、钼、不锈钢或另一个合适的材料。为了更好地便于材料膜263在衬底261上沉积，可以抛光衬底261。

材料膜263可以包括具有高量子效率的材料。材料膜263例如可以具有百分之几的量子效率。例如，材料膜263可以具有大约5％的量子效率(这可以认为是高量子效率)。材料膜263具有上面激光束241入射且发射电子束E的表面264。表面264可以称为电子发射表面。

材料膜263可以为包括一种或多种碱金属的材料。材料膜263可以为包括一种或多种碱金属以及锑的化合物。例如，材料膜263可以包括锑化钠钾。材料膜263的成分可以单独沉积到衬底261上。例如，在材料膜263包括锑化钠钾的实施方式中，锑可以首先被沉积到衬底上，随后是钾，然后是钠。材料膜263可以经由原子气相沉积而被沉积到衬底261上。衬底261可能在沉积过程期间被加热。

材料膜263的厚度267可以显著小于1微米。例如，材料膜263的厚度267可以是大约几十纳米。衬底261的厚度269可以是大约几毫米。例如，衬底261的厚度269可以在1至10毫米之间。

光阴极243可以另选地由包括被配置为在被激光束241照射时发射电子的材料的衬底261形成。这种光阴极243可以不具有衬底261上所沉积的材料膜263。电子发射表面264反而可以是衬底261的表面。例如，光阴极243可以包括铜衬底261，该铜衬底261包括电子发射表面。然而，铜与例如包括一种或多种碱金属的膜材料相比可能具有较低的量子效率。因此，这种光阴极可能不适于用于自由电子激光器中，因为包括具有高量子效率的材料的光阴极在自由电子激光器中是有利的。

为了减轻与光阴极243的离子碰撞的影响，在衬底261中形成腔265。腔265可以与碰撞区域249大致对齐。例如，腔265可以如图14所示位于碰撞区域249大致下方。腔265可以如图14所示径向延伸超过碰撞区域249的界限。然而，碰撞区域249不是良好定义的区域而仅表示可能与离子碰撞的光阴极243的区域。通常，腔265可以和与离子碰撞的光阴极243的区域大致对齐，使得离子可以穿到腔265中。腔可以与注入器230(参见图12)的轴线245大致对齐。注入器的轴线可以与电子束E离开注入器230时所期望的电子束E的路径对应。

腔265可以经由具有厚度266的衬底261的薄层与材料膜263分离。这可以允许腔265被定位于材料膜263附近，同时留下具有上面可以沉积膜材料263的光滑表面的衬底261的层。将膜材料263与腔265分离的衬底261的薄层例如可以具有大约0.1微米至大约10微米之间的厚度266。

与光阴极碰撞的离子在被停止在到光阴极中的特定深度之前穿过光阴极的上层。离子不与它们在被光阴极停止之前穿过的光阴极的部分显著地相互作用。因此，由碰撞离子引起的大部分损坏发生在处于或靠近离子被光阴极停止的深度的、到光阴极中的深度处。

因此，与光阴极243碰撞的离子可以在不被停止的情况下行进穿过材料膜263、穿过衬底261的薄层，并且进入腔265中。离子穿过的材料膜263以及衬底261的部分可以用以部分地减速离子，但该减速可能不足以停止离子。一旦离子处于腔265中，则不存在对离子减速的衬底材料，并且离子可以在没有被进一步实质上减速的情况下穿过腔265。因此，离子可以穿过腔265的相对侧(例如，与离子进入的侧相对的侧)出来，并且进入腔265下方的衬底材料中。衬底材料可以用来对离子进行进一步减速并停止离子。因此，停止离子的点可以处于腔265下方，因为离子在被腔265下方的衬底材料减速且停止之前穿过腔265。因此，腔265具有将将光阴极261中停止离子的位置平移到进入光阴极243中的更大深度，并且远离光阴极243的电子发射表面264。

在另选实施方式中，腔265可以延伸穿过衬底261的后部，使得腔265开向周围或另一材料。在这种实施方式中，离子可以穿过腔265并穿出光阴极243，使得由离子引起的任意损坏发生在光阴极243外部。

增大光阴极243中停止离子的深度可以引起光阴极243的电子发射表面264处的材料的更少飞溅。增大光阴极243中停止离子的深度可以增大能量以热能的形式从离子传递到光阴极243的深度。这减少靠近光阴极243的电子发射表面264的光阴极243的发热，因此减少来自光阴极243的电子发射表面264的电子的热电子发射，从而减少自由电子激光器FEL中的暗电流。腔265可以另外减小可以保留在靠近表面264的衬底261中的数量，因此可以减少另外可能发生的表面264的任意起泡。

本发明背后的原理可以参照图15来进一步理解。图15是与硅衬底碰撞的、具有500keV能量的正氢离子的模拟结果的表示。500keV能量可以大约对应于自由电子激光器中的离子的能量。点表示衬底中氢离子经由硅衬底来停止的位置。如图15中可以看出的，大部分离子在大于大致4微米的、进入硅目标中的深度处停止。如上所述，材料膜263可以具有远远小于1微米的厚度267。因此，大多数离子将在不被停止的情况下穿过材料膜263。

图15中所显示的结果指示，在衬底261包括硅并且将腔265与材料层263分离的衬底261的薄层具有小于大致4微米的厚度266的实施方式中，那么大部分离子将穿过衬底的薄层并进入到腔265中。穿到腔265中的离子将在没有被充分减速的情况下穿出腔265的另一侧。因此，离子将不被停止，直到穿到超出腔的衬底材料中。

将理解，可以使用不同材料的衬底261，并且可以在衬底中与图15中所示不同的位置处停止具有不同能量的离子。因此，光阴极243的尺寸和腔265的布置可以根据光阴极243的材料且根据光阴极243预期的用途来选择。

通常，衬底261中的腔265可以被定位使得布置在表面264与腔265之间的光阴极243的部分的厚度足够薄，以致入射在光阴极243的那部分处的大部分离子穿过光阴极243的那部分并进入到腔265中。表面264与腔265之间所布置的光阴极243的部分的厚度例如可以小于大约10微米，并且可以小于大约5微米。

在操作期间，光阴极243可以经受由与光阴极243的电压关联的电场造成的静电压力。与光阴极243的电压关联的电场例如可以具有大约10MVm^-1的场强。这可以使得光阴极243经受大约1000帕斯卡的静电压力。

图16是在静电压力施加于光阴极时与图14中所示相同的光阴极243的横截面的示意图。对光阴极243的静电压力的方向由箭头272来指示。腔265可以在腔265的区域中结构性地弱化光阴极243。例如，位于腔265正上方的光阴极243的薄层可能不够强以阻挡它所经受的静电压力。这可能使得光阴极243的区域273在静电压力下变形。

光阴极243的变形可能引起变形区域273中的电场的变化。光阴极243周围的电场的方向在图16中由箭头271来指示。变形区域273中的电场的方向被光阴极243的变形改变。具体地，电场271可以聚焦于变形区域273中。这可能是不利的，因为这可能改变从光阴极243发射的电子束团的发射率和轨迹。因此，可以有利的是减小由静电压力引起的光阴极243的任意变形和/或降低或减轻光阴极的任意变形对光阴极243周围电场的影响。

图17a是向光阴极243施加电压之前的光阴极243的示意图。因为未向光阴极243施加电压，所以光阴极未经受任何静电压力。图17a中所示的光阴极243被成形为预期一旦向光阴极243施加电压则在静电压力下变形。即，光阴极243被配置为在静电压力下变形后呈现所期望的形状。具体地，衬底261被成形为包括腔265上方的区域中的凹陷275。

可选择地，腔265还可以被成形为预期经历静电压力。例如，腔265可以被成形为包括如图17a所述的倒角276。倒角276用以减小围绕腔265的角落的衬底261的区域中的应力。这可以降低作为施加于光阴极243的静电压力的结果而产生的在这些区域中裂纹在衬底中发展的风险。

图17b是在向光阴极243施加电压时的与图17a中所述的同一光阴极243的示意图。光阴极243经受的静电压力272引起衬底261的之前凹入的区域275的变形。在变形之后，之前凹入的区域275不再凹入，并且衬底261的上表面大致是平的。在之前凹入的区域275变形之后，电场方向271大致均匀，由此，从光阴极243发射的电子束团可以实质上不受腔265的存在影响。

图17a和图17b中所述的光阴极243仅是光阴极243的实施方式的示例。将理解，其他光阴极243可以预期可以施加于光阴极243上的静电压力而被不同地定形和配置。光阴极243的具体定形和配置除其他事项外可以取决于配置光阴极的材料和所预期的光阴极243的操作条件。

另选地，光阴极243可以被构造以便抵抗静电压力，使得静电压力实质上不使光阴极243变形。例如，腔265的区域中的衬底261和膜材料263可以足够硬，以承受预计操作期间施加于光阴极243的静电压力。

为了加强光阴极243，可以向衬底261添加加强肋。加强肋可以帮助抵抗静电压力下的变形。图18是包括加强肋277的衬底261的部分的平面图。加强肋277布置在蜂窝结构中，并且可以用以加强衬底261。加强肋277另外可以帮助冷却衬底261。肋277例如可以从衬底261向周围辐射热量，从而冷却衬底261。在另选实施方式中，加强肋277可以被布置为形成除了蜂窝结构之外的结构。

可以期望的是，加强肋277实质上不阻止离子穿过衬底261。例如，可以期望的是，加强肋实质上不阻止离子穿到腔265中。这可以通过在加强肋277之间设置显著的间隔来实现(相对于肋的厚度)。这可以确保被加强肋277占据的衬底261的分数较小(例如，小于10％)。因此，入射在衬底261上的与肋277碰撞的离子的比例较小，由此，不显著的比例的离子被加强肋277防止穿过衬底261。

另外地或另选地，肋277的厚度可以足够薄，以致离子可以穿过肋277，使得肋277实质上不阻止离子穿过衬底261。加强肋277的厚度例如可以小于大约1微米。

加强肋277可以被定位为不贯穿衬底261，而是具体可以被定位于在向光阴极243施加电压时经受大量应力的衬底261的部分中。例如，因为分离材料膜263与腔265的衬底261的层在使用期间可能经受大量的应力，所以加强肋277可以被定位为加强衬底261的这一层。

上面已经将光阴极243的实施方式描述为包括由衬底261的材料封闭的、衬底261中所形成的腔265。然而，在一些实施方式中，腔265可以开向周围或其他材料。图19是包括延伸到衬底261的基部的腔265的光阴极243的示意图。因此，穿到腔265中的离子可以行进穿过腔并穿出由腔265形成的开口278。为了吸收并停止穿过开口的离子，材料可以可选择地被定位于超过开口278。这可以确保由离子引起的任意损坏发生在光阴极243的外部。

虽然已经关于发射入射在光阴极243上的激光束241的激光器235描述了电子源的实施方式，但应理解，在其他实施方式中，可以使用除了激光器之外的辐射源。辐射源可以发射不是激光束的辐射束。因此，在一些实施方式中，上面对激光器和/或激光束的任意参考可以分别被代替为辐射源和/或辐射束。

虽然自由电子激光器的实施方式被描述为包括直线加速器22、150、122，但应理解，直线加速器仅是一种可以用于使自由电子激光器中的电子加速的粒子加速器的示例。因为直线加速器允许沿着同一轨迹加速具有不同能量的电子，所以直线加速器可以是特别有利的。然而，在自由电子激光器的另选实施方式中，可以将其他类型的粒子加速器用于使电子加速到相对论速度。

术语“相对论电子”应被解释为意指以相对论速度行进的电子。具体地，相对论电子可以用于指代由粒子加速器加速到相对论速度的电子。

将理解，附图中所描绘的注入器和注入器装置仅是实施方式，并且与本发明一致的其他注入器装置是可以的。

要理解，虽然上面提及了包括八个光刻设备LA1-LA8的光刻系统，但在光刻系统中可以提供更多或更少光刻设备。进一步地，光刻设备LA1-LA8中的一个或多个可以包括掩模检查设备MIA。在一些实施方式中，光刻系统可以包括两个掩模检查设备，以允许一些冗余。这可以允许在其他掩模检查设备被修理或经受维护时使用一个掩模检查设备。由此，总是有一个掩模检查设备可用于使用。掩模检查设备可以比光刻设备使用更低功率的辐射束。

虽然在本文本中在光刻设备的场境中特别参考了本发明的实施方式，但本发明的实施方式可以用于其他设备。本发明的实施方式可以形成掩模检查设备、量测设备或测量或处理物体(诸如晶片(或其他物质)或掩模(或其他图案形成装置))的任意设备的一部分。这些设备可以总称为光刻工具。这种光刻工具可以使用真空条件或环境(非真空)条件。

本发明的实施方式可以形成将电子束或多个电子束用于图案化衬底的光刻设备的一部分。

术语“EUV辐射”可以被认为包含具有5nm-20nm范围内(例如13nm-14nm范围内)的波长的电磁辐射。EUV辐射可以具有小于10nm(例如5nm-10nm范围内(诸如6.7nm或6.8nm))的波长。

光刻设备LA1-LA8可以用于制造IC。另选地，这里所述的光刻设备LA1至LA8可以具有其他用途。其他可能的用途包括制造集成光学系统、引导并检测磁畴存储器、平板显示器、液晶显示器(LCD)、薄膜磁头等的图案。

虽然上面已经描述了本发明的具体实施方式，但将理解，本发明可以与如所述的不同地来实践。上面的描述旨在是说明性的，而不是限制性的。由此，对于本领域的一个技术人员将明显的是，可以在不偏离下面陈述的权利要求的范围的情况下对所述的本发明进行修改。