CN1539254A - 星形箍缩的x射线和远紫外线光子来源 - Google Patents

Abstract

光子来源包括定义放电室的外壳、在放电室中指向等离子体放电区域的第一组离子束来源，第一组离子来源的组成部分构成第一电极和与等离子体放电区域隔开的第二电极。光子来源进一步包括用来激励第一组离子束来源使在它们进入等离子体放电区域之前至少部分地被中和的离子束向等离子体放电区域静电加速的第一电源和接在用来把加热电流交付给等离子体放电区域的第一和第二电极之间的第二电源。离子束和加热电流形成发射光子的热等离子体。光子来源可能进一步包括第二组离子束来源，而且第二组离子束来源的组成部分可能构成第二电极。光子可能在软X射线或远紫外线的波长范围内，而且在一个实施方案中，具有在大约10－15纳米范围内的波长。

Description

星形箍缩的X射线和远紫外线光子来源

本发明的技术领域

本发明涉及等离子体来源，更具体地说，涉及软X射线或远紫外线光子的来源，其中光子的超大量生产是通过使离子向等离子体放电区域静电加速、通过离子的中和作用来消除接近放电区域时的空间电荷拒斥力和通过施加通过中央等离子体的加热电流来升高其温度和密度实现的。

本发明的现有技术

软X射线和远紫外线的光子能在热等离子体中产生。光子的波长是由当前电离状态的混合状态决定的，通常波长比较短的光子是通过在等离子体之内比较高的电离状态的辐射产生的。与光刻法相关的例子是包含状态Xe¹⁰⁺、Xe¹¹⁺和Xe¹²⁺并且在光谱的10-15纳米(nm)波段中强烈辐射的氙等离子体。在这个波段内，13.5纳米波长对于光刻法被看作是最佳的，因为它能在使半导体电路的图案从掩模再次成像到硅晶片上的组合中与以高达70％的效率被钼-硅多层镜反射。

近几年来，对于这些高能光子的生成的一些途径已被研究。在所谓的激光生成等离子体(LPP)方法中等离子体是用激光脉冲加热的。另外，在各种各样的放电生成等离子体(DPP)光子来源中，等离子体是借助脉冲电流通过直接加热的。这些包括毛细放电、密集的等离子体焦点和Z-箍缩。一般认为对于商业的大批量光刻可行的13.5nm光源将被要求在13.5nm下把大约100瓦特光子功率在2％分波段中从直径小于1.5毫米的大体上成球形的来源发射到2球面度中。在作为(室温下气体元素中)最有效的13.5nm辐射体的氙气中，2％的分波段在DPP源中是以大约0.5％的电效率进入2π球面度生产的、而在LPP源中是以高达1％的激光吸收功率进入2π球面度生产的。因此，对于光刻光源，30-60千瓦(kW)的等离子体功率是必需的。其它的要求是为了提供均匀的照明要求等离子体的精确定位和高于6kHz的重复频率。

在现有技术中，等离子体在激光生成等离子体的情况下是通过液态氙的稳定射束横穿聚焦的激光束定位的。由此产生的等离子体的大小和位置稳定性与应用兼容，但是对于感兴趣的脉冲激光只有4％的激光效率，为了产生100瓦特的13.5nm光子，可能需要750千瓦到1.5兆瓦的输入电功率，因此LPP源在经济上是非常不利的。

通过直接给等离子体供应电能，DPP源原则上能具有不比30-60千瓦等离子体功率大得多的功率输入。然而，在现有技术的放电中，等离子体除了密集的等离子体焦点之外都在至少一个尺寸方面太大，而密集的等离子体焦点本身取决于靠近放置的电极，离开等离子体只有几毫米远，以形成小的位置稳定的等离子体焦点。存在一些对在如此靠近固体电极的地方产生的等离子体功率的限制，因此提出关于密集的等离子体焦点来源缩放的难题。

2001年3月23日申请的未决申请第09/815,633号揭示一种在本文中称之为天文学来源的新的光子来源，其中能量和原料是借助很多高能中性束在中心位置送入等离子体的。在这种来源中，在等离子体和最近的固体表面之间比较大的分离已被实现。天文学来源也有呈现低电流密度和较长的预期寿命的分布电极。虽然这种途径已使发出远紫外线光子的热等离子体能够生成并且原则上有能力按比例缩放到30-60千瓦等离子体功率，但是它取决于中性束粒子的高加速效率。迄今为止，只有20％效率已被测量，而且在加速效率方面的提高对于得到这种光子来源和适当的电效率是必不可少的。

因此，存在对用来产生软X射线或远紫外线光子的改进的方法和装置的需求。

本发明的概述

依照本发明的第一方面，提供一种光子来源。该光子来源包括定义放电室的外壳、在放电室中指向等离子体放电区域的第一组离子束来源，其中第一组离子来源的组成部分构成第一电极和与等离子体放电区域隔开的第二电极。光子来源进一步包括用来激励第一组离子束来源使在进入等离子体放电区域之前至少部份地被中和的离子束从第一组离子束向等离子体放电区域静电加速的第一电源，以及接在第一和第二电极之间用来把加热电流交付给等离子体放电区域的第二电源。离子束和加热电流形成辐射光子的热等离子体。

在一些实施方案中，光子来源进一步包括指向等离子体放电区域的第二组离子束来源，而且第二组离子束来源的组成部分构成第二电极。第一和第二组离子束来源可能包括有数组沿着穿过等离子体放电区域的轴线排列的孔的内层和外层电极壳体。第一电源可能被接在内层和外层电极壳体之间。内层壳体可能包括第一内层壳体部分和第二个内层壳体部分，而第二电源可能接在第一和第二内层壳体部分之间。

在一些实施方案中，光子来源进一步包括有初级线圈和次级线圈的变压器。初级线圈可能与第二电源耦合。次级线圈的第一接线端子可能与第一内层壳体部分耦合，而次级线圈的第二接线端子可能与第二内层壳体部分耦合。

在一些实施方案，离子束和加热电流两者都是脉动的，而且脉冲离子束先于脉冲加热电流。离子束可能通过共振电荷交换至少部份地被中和。

辐射的光子可能处在软X射线或远紫外线的波长范围内。在一些实施方案中，离子束包括氙离子，而辐射的光子具有在大约10-15纳米范围内的波长。离子束可能包括选自氙、氢、锂、氦、氮、氧、氖、氩和氪的工作气体的离子。

在一些实施方案中，第一组离子束来源包括第一空心环形电极和至少部份地包围等离子体放电区域的内层壳体。第一电源可能被接在第一空心环形电极和内层壳体之间。第二电源可能被接在第一空心环形电极和第二电极之间。

在一些实施方案中，光子来源进一步包括第二组离子来源。第二组离子来源包括第二空心环形电极和内层壳体。第一电源可能有接到第一和第二空心环形电极上的第一接线端子和接到内层壳体上的第二接线端子。第二电源可能被接在第一和第二空心环形电极之间。

在一些实施方案中，第二电极包括杯形电极。杯形电极可能穿过内层壳体上的孔与等离子体放电区域耦合。在一些实施方案中，光子来源可能进一步包括安装在杯形电极里面的环形电极和接在环形电极和杯形电极之间的第三电源。

在一些实施方案中，内层壳体可能被分为对应于第一空心环形电极的第一壳体部分和对应于第二空心环形电极的第二壳体部分。第一和第二壳体部分可能通过阻值大于交付加热电流期间等离子体的阻抗的电阻连接起来。

在一些实施方案中，第二电极可能包括用来定义用于从等离子体放电区域发射光子束的孔的结构。

依照本发明的另一个方面，光子来源包括用来使一组离子束在放电室中向等离子体放电区域加速的装置，其中离子束在它们进入等离子体放电区域之前至少部份地被中和，以及用来给等离子体放电区域供应加热电流的装置，其中离子束和加热电流形成辐射光子的热等离子体。

依照本发明的第三方面，用来产生光子的方法包括在放电室中使一组离子束向等离子体放电区域加速，其中离子束在它们进入等离子体放电区域之前至少部份地被中和，和给等离子体放电区域供应加热电流，其中离子束和加热电流形成辐射光子的热等离子体。

依照本发明的第四方面，提供一种产生光子的系统。该系统包括定义放电室的外壳，在放电室中指向等离子体放电区域的第一组离子束来源，其中第一组离子来源的组成部分构成第一电极和与等离子体放电区域隔开的第二电极。该系统进一步包括用来激励第一组离子束来源使工作气体离子束第一组离子束来源向等离子体放电区域加速的第一电源，其中离子在它们进入等离子体放电区域之前至少部份地被中和；接在第一和第二电极之间用来把加热电流交付给等离子体放电区域的第二电源；用来把工作气体供应给放电室的气源；以及用来控制放电室中工作气体的压力的真空系统。

附图简要说明

为了更好地理解本发明，参考在此通过引证被并入的附图，其中：

图1A是以多重离子束向中心等离子体放电区域加速为基础的远紫外线来源的实施方案的侧视截面图；

图1B是在图1A中展示的远紫外线来源的俯视截面图；

图2A是依照本发明光子来源的第一实施方案的侧视截面图；

图2B是在图2A中展示的光子来源的俯视截面图；

图3是依照本发明光子来源的第二实施方案的侧视截面图；

图4是在图3中展示的光子来源的俯视截面图；

图5是依照本发明用来产生光子的系统的实施方案的示意图；

图6A是依照本发明光子来源的第三实施方案的侧视截面图；

图6B是在图6A中展示的光子来源的俯视截面图；

图7是依照本发明光子来源的第四实施方案的侧视截面图；

图8是依照本发明光子来源的第五实施方案的侧视截面图；

图9是依照本发明光子来源的第六实施方案的侧视截面图；

图10A是依照本发明光子来源的第七实施方案的侧视截面图；

图10B是10A展示的光子来源的俯视截面图；

图11A是依照本发明光子来源的第八实施方案的侧视截面图；

图11B是在图11A中展示的光子来源的俯视截面图；

图12是依照本发明光子来源的第九实施方案的侧视截面图；

图13是依照本发明光子来源的第十实施方案的侧视截面图；

图14是依照本发明光子来源的第十一实施方案的侧视截面图。

本发明的详细描述

为了产生X射线或远紫外线辐射，光子来源依照本发明的特征在两个阶段中操作。在第一阶段中，如同下面描述的那样使用指向中心等离子体放电区域的多重离子束形成中心等离子体。在第二阶段中，为了加热和压缩等离子体使它的温度和密度升高，使加热电流脉冲通过中心等离子体。

天文学(astron)来源是包括放电室、放电室中的众多离子束来源(每个都使工作气体离子束向等离子体放电区域静电加速)和用来使离子束在它们进入等离子体放电区域之前至少部份地被中和的中和机制的光子来源。被中和的射束进入等离子体放电区域并且形成辐射光子的热等离子体。

在上述的光子来源的第一阶段中操作的天文学(astron)原则是用图1A和图1B图解说明的。在图1A和图1B中展示的来源的实施方案具有双缝隙的离子加速结构100。加速结构100包括同心的球形电极壳体112、113和114。电极壳体112、113和114有许多组沿着穿过中心等离子体放电区域120的轴线排列的孔。因此，举例来说，电极壳体112、113和114上的孔122、123和124分别地沿着穿过等离子体放电区域120的轴线126排列。每组孔(例如孔122、123和124)定义一个加速列128。在电极壳体112、113和114之间的空间构成用于离子束静电加速的加速缝隙。因此，每个加速列在图1A和图1B的实施方案中有两个缝隙。图1A和图1B的实施方案包括36个加速列128，分三组配置，每组12个。因此，加速结构使36个离子束指向等离子体放电区域120。然而，在本发明的范围内可能利用不同数目的离子束。

电极壳体112、113和114可能是用绝缘定位架130支撑的。有孔口134的包壳132在加速结构100周围。

工作气体通过孔口134按脉冲模式或连续地被引入在最外层电极壳体114外面的空间144。一些工作气体向下流入加速列128。当适当的气体密度出现在加速列中的时候，在电极壳体112和114之间可能施加脉冲电压，其中电极壳体114的极性相对于电极壳体112是正的。在图1A和1B的结构中，只要出现适当的气体密度而且只要施加充份的电压，假火花放电就在每个加速列128中同时逐步展开。假火花放电的特点是反方向的能够具有极高强度的电子和离子束的逐渐展开。离子束在电极壳体112处从加速列128的负极性端射出并且向中心等离子体放电区域120前进。

通过正确调整在每个加速列128的出口区域146的工作气体密度，大部份离子能通过共振电荷交换被中和，以致形成在等离子体放电区域120中不向等离子体偏斜的中性射束。那些未被中和的离子把过剩的正电荷贡献给每个离子束，从而引起从电极壳体112的临近表面(由于击穿形成假火花放电它已经准备好作为阴极)吸引电子。因此，中性原子与包括剩余的未中和的离子和电子的几乎电荷平衡的射束等离子体同时发生。如同下面描述的那样，起源于共振电荷交换的慢离子定义在装置操作的第二阶段中有利于高加热电流脉冲传导的轨道。天文学光子来源的补充细节和实施方案是在通过引证在此被并入的上述申请第09/815,633号中描述的。

在装置操作的第二阶段中，新形成的等离子体借助电流脉冲通过等离子体被加热和压缩，即箍缩。把使离子束向等离子体放电区域静电加速并且至少部份地被中和的操作的第一阶段和使电流通过等离子体放电区域的第二阶段两者合并的光子来源的第一实施方案被展示在图2A和2B中。图2A是光子来源的简化的侧视截面图，而图2B是通过围绕轴线200旋转图2A中的线A-A定义的截面图。在图2A和2B中，对应于图1A中的电极壳体112的中心阴极壳体被分为两个被电连接到脉冲电压源205上的半壳体202和204。光子来源的阳极壳体被分为两个用导体216电连接的半壳体212和214。工作气体在低压下通过孔口218被引入并且流过通道220进入在阳极半壳体212和214里面的空心阳极容积222。阴极半壳体202和204是用绝缘体225电绝缘的。阴极半壳体借助绝缘体227和229与各自的阳极半壳体电绝缘。脉冲电源215有一个(通过低阻抗的电压源205)接到阴极半壳体202和204上的接线端子和另一个接到阳极一半壳体212和214上的接线端子。

在图2A和2B中展示的光子来源的操作第一阶段期间，来自脉冲电压源215的脉冲电压V₁被加在阳极半壳体212、214和阴极半壳体202、204之间。在没有来自脉冲源205的任何外加电压V2时，在阴极半壳体202和204之间的电位差保持为零。所以，组合后的阴极半壳体借助电压V₁相对于组合后的阳极半壳体是负脉冲，而且放电如同前面结合图1A和1B描述的那样逐渐展开。来自这种放电的被中和的射束通过等离子体放电区域224形成小的球等离子体。同时，离子的通道和高能中性原子形成在阴极半壳体202和等离子体放电区域224之间的电离轨道230和在阴极半壳体204和等离子体放电区域224之间的电离轨道232。电离轨道230和232落在顶点位于等离子体放电区域224的两个圆锥体的表面上而且提供在阴极半壳体202和204之间的传导路径。

在操作的第二阶段期间，来自脉冲电压源205的脉冲电压V₂被加在阴极半壳体202和204之间。电路是借助通过电离轨道的锥形结构的传导连接阴极半壳体202和204完成的。因此，阴极半壳体202和204分别构成用来对在等离子体放电区域224中的等离子体施加加热电流的第一和第二电极。电流在等离子体放电区域224中通过等离子体流动，从而借助磁箍缩效应对它实施加热和压缩。等离子体温度和密度升高到大量发射所需要的X射线或远紫外线的点。辐射是从在被会聚光学表面(在图2A和2B中未展示)传递到使用点的锥形射束234中的光子来源发出的。

在加速结构的中心部份的工作气体压力可能被保持在大约1.0到100毫托的范围内，以便提供适当的气体密度。如同前面提到的那样，适当的工作气体是氙。其它适当的工作气体包括但不限于氢、锂、氦、氮、氧、氖、氩和氪。

离子束可能是脉动的或连续的，和离子加速电压V₁可能从2kV到20kV，但是不局限于这个范围。电压V₁可能有0.1到10微秒的典型的脉冲持续时间，但是也可能被连续地施加。加热电压V₂通常是在开始施加电压V₁的0.1到10微秒之内施加的。电压V₂的振幅通常在100V到10kV的范围内，而且这个脉冲的宽度通常在10纳秒到1微秒的范围内。

依照本发明光子来源的第二实施方案是在图3和4中展示的。图3是光子来源的简化的侧视截面图，而图4是通过围绕轴线200旋转图3中的线A-A定义的截面图。在图2A、2B、3和4中相似的要素有相同的参考数字。图3和4的实施方案不同于图2A和2B实施方案，因为添加了用来使脉冲电流从脉冲电压源205耦合到阴极半壳体202和204上的变压器211。变压器211包括多重初级线圈208、可能是非磁性材料或磁性材料的螺线管芯210和也有螺线管结构的电枢或次级线圈206。初级线圈208被接脉冲电压源205上，而可能只有一匝的次级线圈206接在阴极半壳体202和204之间。

在操作的第一阶段期间，脉冲电压V₁是由脉冲源215加在阳极半壳体212、214和接到阴极半壳体202和204上达到次级线圈206之间的。在没有任何来自脉冲电压源205的外加电压V₂加到初级线圈208上时，阴极半壳体202和204之间的电位差保持为零。所以，组合后的阴极半壳体借助电压V₁相对于组合后的阳极半壳体212和214是负脉冲，而且放电如同前面描述的那样逐渐展开。被这种放电中和的射束通过等离子体放电区域224形成小的球形等离子体。同时，离子和高能中性原子的通过如同前面描述的那样形成电离轨道230和232。

在操作的第二阶段期间，脉冲电压V2同时和并联地加到所有初级线圈208的两端，结果是在与变压器的次级线圈206的两端连接的阴极半壳体202和204之间产生感应电压。变压器的次级电路是通过连接阴极半壳体202和204的电离轨道230和232的传导完成的。如同在图2A和2B的实施方案中那样，阴极半壳体202和204分别构成用来对等离子体放电区域224中的等离子体施加加热电流的第一和第二电极。次级电流在等离子体放电区域224中通过等离子体流动，从而借助磁箍缩效应对它实施加热和压缩。如上所述，等离子体温度和密度升高到发出所需要的X射线或远紫外线辐射的点。

用来依照本发明产生光子的系统的实施方案是在图5中被示意地展示的。加速结构500可能对应于在图2A和2B中展示的加速结构、在图3和4中展示的加速结构、或任何其它在本发明范围内的加速结构。在图5的系统中，加速结构500是在图1A和1B中展示的加速结构100的修正并且在前面已描述过。在图1A、1B和5中相似的要素具有相同的参考数字。

加速结构500包括同心的球形电极壳体112、113和114，每个都被绝缘体503分为电极半壳体。脉冲电压源540在内层电极半壳体112和112b之间被连接。脉冲电压来源530被接在外层电极半壳体114a、114b和内层电极半壳体112a、112b之间。

加速结构500被围在定义放电室504的外壳502里面。加速结构500的顶孔140通过屏510被耦合到由包壳516定义的汇聚区域514。包壳516包含用来把光子束150传递到远处的使用点的汇聚光学器件518。屏510组成允许光子从放电室504向汇聚区域514传播但阻止气体从放电室504流向汇聚区域514的射束出口孔。

与外壳502耦合的气源520通过入口522和增压室132上的孔口134把工作气体供应给加速结构500。加速结构500的底孔142与真空泵524耦合。真空泵524的出口526被接到气源520上形成气体再循环系统。气源520和真空泵524以允许工作气体通过放电室504再循环的闭环配置接到外壳502上。气源520可能包括用来除去来自工作气体的杂质和微粒的要素。该系统可能包括位于汇聚区域514之中的检测器550、控制电路552和流量控制器554，以便作为对辐射光子的实测光谱的响应对进入放电室504的工作气体的流速实施反馈控制。

在真空泵系统的另一个实施方案(未展示)中，真空泵被接到包壳516上而不是接到外壳502上。在这个实施方案中，气体被泵送从加速结构500的中心部分通过屏510或其它射束出口孔、再通过包壳516。

图5的系统按前面结合图2A和2B描述的第一和第二阶段操作。在第一阶段中，脉冲源530把脉冲电压加在内层电极半壳体112a、112b和外层电极半壳体114a、114b之间，从而使被中和的射束指向等离子体放电区域120。在第二阶段中，放电区域120中的等离子体借助电流脉冲的通过被加热和压缩。被中和的射束形成在阴极半壳体112a、112b和等离子体放电区域120之间的电离轨道。脉冲源540对阴极半壳体112a和112b施加脉冲引起电流沿着电离轨道通过等离子体放电区域120流动。因此，阴极半壳体112和112b分别构成用来给等离子体放电区域120中的等离子体施加加热电流的第一和第二电极。电流通过等离子体在等离子体放电区域120中流动，从而加热并且压缩它。等离子体的温度和密度升高到发射所需要的X射线或远紫外线的点。辐射作为锥形光子束150从加速结构500发出。

依照本发明光子来源的第三实施方案被展示在图6A和6B中。在图1A、1B、6A和6B中相似的要素具有相同的参考数字。图6A和6B的实施方案不同于图1A和1B的结构，区别在于添加了用来把加热电流供应给等离子体放电区域120的外层电极600。脉冲电源601接在内层电极壳体112和外层电极壳体114之间。脉冲电源602接在内层电极壳体112和外层电极600之间。绝缘体603和604分别使这些连接与电极壳体112和114电绝缘。外层电极600可能有圆筒形结构而且可能被放置在加速结构的底孔中与等离子体放电区域120隔开。

在操作的第一阶段期间，来自电源601的脉冲电压V3被加在电极壳体112和114之间。放电如上所述逐渐展开，而且放电中和的射束通过等离子体放电区域120形成等离子体。同时，离子和高能中性原子的通过形成上述的电离轨道。

在操作的第二阶段期间，来自电源602的脉冲电压V4被加在外层电极600和电极壳体112之间。电路是借助传导通过连接电极壳体112和等离子体放电区域120的电离轨道和通过在等离子体放电区域120和外层电极600之间的发光区域605完成的。因此，内层电极壳体112组成第一电极而外层电极600组成第二电极，用于把加热电流施加给在等离子体放电区域120中的等离子体。电流在等离子体放电区域120中流过等离子体，从而加热和压缩它。等离子体的温度和密度升高到发射所需要的X射线或远紫外线的点。等离子体倾向于在外层电极600的方向上延长。工作气体在近似与内层电极壳体112相同的压力下扩充到电极600。

依照本发明光子来源的第四实施方案是在图7中展示的。图7是光子来源的简化的侧视截面图。舱室或内层壳体700可能是球形的，其外壁是导电的，内部是空心的。内层壳体700可能包括用于电连接和机械支撑的环形边缘702。光子来源进一步包括在内层壳体700外面围绕着来源轴线714配置的环形电极710和712。环形电极710和712可能分别包括用于电连接和机械支撑的边缘716和718。环形电极710和712分别被绝缘体720和722支撑着。

每个环形电极710和712都可能包括空心环或环形室。环形电极710和环形电极712每个都有许多孔730，而内层壳体700有与每个孔730相对应的孔732，从而形成孔对730、732。每个孔对中的孔730和732都是对齐的并且定义横穿中心等离子体放电区域740的等离子体通道734。在一个实施方案中，环形电极710和712每个都有围绕着轴线714被隔开的24个孔730。在每个环形电极710、712和内层壳体700之间的空间构成用于离子束静电加速的加速缝隙。每个孔对730、732定义一个离子束来源，因此提供48个有等离子体通道734横穿等离子体放电区域740的离子束来源。

图7中展示的光子来源可能被装在外壳中，如同前面结合图5描述的那样。外壳充满工作气体，例如，用于在低压(通常为1-100毫托)下发射10-15纳米远紫外线的氙气。内层壳体700可能备有射束出口孔，例如，为了提供适合光子传播的接近真空的条件由多重准直的对光子射束有高的光透射能力、对工作气体有低电导的小孔组成的蜂巢结构742。蜂巢结构742可能对应于前面描述过并且在图5中展示的屏510。远紫外线或软X射线辐射的光子束744从内层壳体700通过蜂巢结构742射出。

电源750被接在环形电极710和内层壳体700之间，而电源752被接在环形电极710和环形电极712之间。电源750和752每个都能够提供脉冲宽度为0.1-10微秒的高压脉冲。

在操作的第一阶段，电源750相对于环形电极710和712把负的直流电位加到内层壳体700上。通过低阻抗电源752连接的环形电极710和712在操作的这个阶段保持同样的电位。电源750供应直流电流，通常为1-100毫安，以维持在所有的孔对730、732中放电。用孔对730、732定义的等离子体通道734横穿等离子体放电区域740。然后，电源750提供通常为1-10微秒的负脉冲电压(通常为1-20仟伏)并且驱动增大的电流(通常为1-100安培)通过等离子体通道734。工作气体的离子向等离子体放电区域740加速。在沿着等离子体通道734通过期间，离子在共振电荷交换过程中经历中和碰撞，以致在它们进入等离子体放电区域740形成密集的等离子体之前，离子束至少部份地被中和。

在操作的第二阶段期间，电源752对环形电极710和712施加高电流脉冲，通常为0.1-10微秒和1-100仟安。来自电源752的脉冲可能在来自电源750的脉冲期间或紧接在来自电源750的脉冲结束之后开始。因此，电源752通常是在电源750被触发之后大约0.1-10微秒被触发。电路是通过等离子体通道734完成的。具体地说，环形电极710定义等离子体通道734的上半个锥形阵列，而环形电极712定义等离子体通道734的下半个锥形阵列。在这个实施方案中，环形电极710组成第一电极，而环形电极712组成第二电极，用于把加热电流施加给在等离子体放电区域740中的等离子体。来自电源752的高电流压缩和加热在等离子体放电区域740中的等离子体，以致它发出作为将在某种应用中使用的光子束744从内层壳体700通过蜂巢结构742传播的远紫外线或软X射线光子。

依照本发明光子来源的第五实施方案是在图8中展示的。图8是光子来源的简化的侧视截面图。在图7和8中相似的要素有相同的参考数字。在图8的实施方案中，电极800代替在图7的实施方案中所用的环形电极712。电极800可能是杯形的而且可能有单孔802和用于电连接和机械支撑的杆804。杯形电极800起空心电极的作用并且被绝缘体810支撑着。内层壳体700上的孔812与杯形电极800上的孔802对齐，以定义等离子体通道820。电源750接在环形电极710和内层壳体700之间，而电源752接在环形电极710和杯形电极800之间。

在操作的第一阶段，电源750相对于电极710和800把负直流电位加到内层壳体700上。通过低阻抗电源752连接的电极800和环电极710在这个操作的阶段期间保持在相同的电位。电源750提供直流电流，通常为1-100毫安，以维持在所有的孔对730、732中放电。等离子体通道734横穿等离子体放电区域740。然后，电源750提供脉冲宽度通常为1-10微秒的负脉冲电压(通常为1-20仟伏)并且驱动增大的电流(通常为1-100安培)通过孔对730、732和802、812。工作气体的离子向等离子体放电区域740加速。在沿着等离子体通道734通过时，离子在共振电荷交换过程中经历中和碰撞，以致在它们进入等离子体放电区域740形成密集的等离子体之前，离子束至少部份地被中和。

在操作的第二阶段期间，电源752把高电流脉冲(通常为0.1-10微秒和1-100仟安施加到电极710和800上。电路是通过等离子体通道734和820完成的。在这个实施方案中，环形电极710组成第一电极，电极800组成第二电极，用于对等离子体放电区域740中的等离子体施加加热电流。这个高电流在等离子体放电区域740中压缩并且加热等离子体，以致它发出作为将在某种应用中使用的光子束744从内层壳体700通过蜂巢结构742传播的远紫外线或软X射线的光子。

依照本发明光子来源的第六实施方案是在图9中展示的。图9是光子来源的简化的侧视截面图。在图7-9中相似的要素具有相同的参考数字。图9的实施方案不同于图8的实施方案，差别在于添加了在杯形电极800之内的环形电极900和接在环形电极900和杯形电极800之间的电源910。对环形电极900的连接借助绝缘体912与舱室700和杯形电极800电绝缘。

在杯形电极800和内层壳体700之间的直流放电能通过把来自电源910的电压加在环形电极900和杯形电极800之间被调整到有较大的或较小的电流。当环形电极900相对于杯形电极800为正的时候，电子由于放电而被移开，于是杯形电极的电流被减少或被完全抑制。当环形电极900相对于杯形电极800为负的时候，放电被加强。这样，来自杯形电极800的放电可能与从环形电极710到内层壳体700的组合放电达到平衡，尽管它们的形状不同。这种配置在给电源752供电的时候有利于在高电流阶段期间在外层电极800和环形电极710之间迅速电击穿。当给电源752供电的时候，给环形电极900的快速负脉冲能帮助激发高电流放电。第六个实施方案的操作在别的方面与上述的第五实施方案的操作类似。

任何直流放电都可以在毗邻孔730的阳极包壳内利用类似于环形电极900的电极得到控制。这可能应用于，举例来说，在图7中使从环形电极710到内层壳体700的直流放电相对于从环形电极712到内层壳体700的直流放电达到平衡。

依照本发明光子来源的第七实施方案是在图10A和10B中展示的。图10A是光子来源的简化的侧视截面图，而图10B是图10A展示的光子来源的俯视截面图。在图7-10B中相似的要素有相同的参考数字。图1A和10B的实施方案在杯形电极800和内层壳体700之间的耦合方面不同于图8的实施方案。再一次参照图8，杯形电极800通过直径比较小的孔812与内层壳体700耦合。在图10和10B的实施方案中，内层壳体700有直径比较大的孔口1010通向杯形电极800。孔口1010可能在内层壳体700的直径的大约40％到100％的范围内。第七实施方案的操作在别的方面类似于上述的第五实施方案的操作。

如同前面提到的那样，工作气体在空心环形电极710里面被电离。在优选的实施方案中，工作气体是通过在法兰716中的许多导管1020的供应给环形电极710的内部的，从而保证工作气体在环形电极710内比较均匀的分布。人们将理解类似的导管可能被用在图7的环形电极712和图8、9、10A、10B的杯形电极800中。人们将进一步理解不同的配置在本发明的范围内可能被用来把工作气体供应给各个离子束来源的内部区域。

依照本发明光子来源的第八实施方案被展示在图11A和11B中。图11A是光子来源的简化的侧视截面图，而图11B是图11A展示的光子来源的俯视截面图。在图7-11B中相似的要素有相同的参考数字。图11A和11B的实施方案在第二电极和内层壳体的配置方面不同于图8的实施方案。

在图11A和11B的实施方案中，内层壳体1100在外形上通常可能呈球形而且有用于发射光子束744的孔口1102。空心环形电极710有环形结构并且在垂直于来源轴线714的平面中位于内层壳体1100的外面。有蜂巢结构742或其它射束出口孔的第二电极1110位于内层壳体1100上的孔口1102上方。第二电极1110借助绝缘体1112与内层壳体1100电绝缘。第一电源750被接在内层壳体1100和环形电极710之间，第二电源752被接在环电极710和第二电极1110之间。光子束744沿着来源轴线714在射束方向1120上射出。

在操作的第一阶段，电源750相对于环形电极710把负的直流电位加到内层壳体1100上。电源750供应直流电流，通常为1-100毫安，以便维持所有孔对730、732中的放电。由孔对730、732定义的等离子体通道734横穿等离子体放电区域740。然后，电源750提供脉冲宽度通常为1-10微秒的负脉冲电压(通常为1-20仟伏)并且驱动增大的电流(通常为1-100安培)通过等离子体734。工作气体的离子向等离子体放电区域740加速。在沿着等离子体通道734通过的时候，离子在共振电荷交换过程中经历中和碰撞并且撞击等离子体放电区域740，形成密集的等离子体。

在操作的第二阶段，电源752把高电流脉冲(通常为0.1-10微秒和1-100仟安)加在环形电极710和第二电极1110之间。来自电源752的脉冲可能在来自电源750的脉冲期间或紧接在来自电源脉冲750的结束之后被启动。因此，电源752通常在在电源750被触发之后大约0.1-10微秒被触发。电路是通过等离子体通道734完成的。在图11A和11B的实施方案中，空心环形电极710组成第一电极，而电极1110组成第二电极，用于对在等离子体放电区域740中的等离子体施加加热电流。来自电源752的高电流压缩和加热在等离子体放电区域740中的等离子体，以致它发出作为将在某种应用中使用的光子束744从内层壳体1100通过蜂巢结构742传播的远紫外线或软X射线光子。

在图11A和11B的实施方案中，阳极和阴极在高电流放电期间相对于图10A和10B的实施方案被对调。这种配置保持输出光子束744指向远离阴极的方向。这避免否则将伴随光子束的离子喷射。阳极现在是被光子束744穿过的蜂巢结构742。电子列1130可能从等离子体放电区域740延伸到电极1110。

依照本发明光子来源的第九实施方案被展示在图12中。图12是光子来源的简化的侧视截面图。在图7-12中相似的要素有相同的参考数字。图12的实施方案不同于图11A和11B的实施方案，区别在于在内层壳体1100的下端添加了用于积聚来自等离子体放电区域40的离子的容器1230。容器1230可能有任何预期的尺寸和形状而且可能与前面描述过的图5所示的真空系统耦合。

依照本发明光子来源的第十实施方案被展示在图13中。图13是光子来源的简化的侧视截面图。在图7-13中相似的要素有相同的参考数字。图13的实施方案在内层壳体的配置和电阻的添加方面不同于图7的实施方案。图13的光子来源包括与环形电极710相关联的第一内层壳体部分1300和与环形电极712相关联的第二内层壳体部分1302。内层壳体部分1300和1302借助绝缘体1310彼此电绝缘。壳体部分1300和1302每个都可能包括半球形部分和法兰部分。壳体部分1300可能备有蜂巢结构742或其它的射束出口孔。两个半球形部分可能被安装一起而且被绝缘体1310隔开，以形成球形的内层壳体。

电阻1320可能被接在壳体部分1300和1302之间。电阻1320的数值被选定为高于在高电流加热脉冲期间电源752上等离子体负载的阻抗。电阻1320的目的是允许壳体部分1300和1302在高电流脉冲期间彼此相对电浮动，但阻止来自电源752的有效电流通过内层壳体壁绕过等离子体。

依照本发明光子来源的第十一实施方案在图14中展示。图14是光子来源的简化的侧视截面图。在图7-14中相似的要素有相同的参考数字。图14的实施方案在内层壳体的配置方面不同于图13的实施方案。图14的光子来源包括与环形电极710相关联的第一内层壳体部分1300、与环形电极712相关联的第二内层壳体部分1302和第三内层壳体部分1400。第三内层壳体部分1400包括蜂巢结构742或其它的射束出口孔并且被接到参考电位上，例如接地。

尽管已经展示和描述了目前考虑到的本发明的优选实施方案，但对于本领域技术人员而言为显而易见的是，在不脱离权利要求书所定义的本发明范围的情况下可能完成各种各样的变化和修改。

Claims (44)

1.一种光子来源，其中包括

定义放电室的外壳；

在放电室中指向等离子体放电区域的第一组离子束来源，其中所述的第一组离子来源的组成部分构成第一电极；

与等离子体放电区域隔开的第二电极；

用来激励第一组离子束来源使进入等离子体放电区域之前至少部分地被中和的离子束从第一组离子束来源向等离子体放电区域静电加速的第一电源；以及

接在用来把加热电流交付给等离子体放电区域的第一和第二电极之间的第二电源，其中离子束和加热电流形成辐射光子的热等离子体。

2.根据权利要求1的光子来源，其中所述的第一组离子束来源中的离子束来源分布在等离子体放电区域周围。

3.根据权利要求1的光子来源，进一步包括指向等离子体放电区域的第二组离子束来源，其中所述的第二组离子束来源的组成部分构成所述的第二电极。

4.根据权利要求3的光子来源，其中所述的第一和第二组离子束来源一起组成离子束来源的球形阵列。

5.根据权利要求3的光子来源，其中所述的第一和第二组离子束来源中的离子束来源分布在等离子体放电区域周围。

6.根据权利要求3的光子来源，其中所述的第一和第二组离子束来源包括有数组沿着穿过等离子体放电区域的轴线排列的孔的内层和外层电极壳体，而且所述的第一电源被接在所述的内层和外层电极壳体之间。

7.根据权利要求6的光子来源，其中所述的内层壳体包括第一内层壳体部分和第二内层壳体部分，而且所述的第二电源被接在所述的第一和第二内层壳体部分之间。

8.根据权利要求3的光子来源，其中所述的第一组离子束来源包括第一内层壳体部分，而所述的第二组离子束来源包括第二内层壳体部分，而且所述的第二电源被接在所述的第一和第二内层壳体部分之间。

9.根据权利要求3的光子来源，其中所述的第一组离子来源包括第一内层壳体部分，而所述的第二组离子来源包括第二内层壳体部分，所述的来源进一步包括有初级线圈和次级线圈的变压器，其中所述的初级线圈被接到所述的第二电源上，所述次级线圈的第一接线端子被接到所述的第一内层壳体部分上，而所述次级线圈的第二接线端子被接到所述的第二内层壳体部分上。

10.根据权利要求9的光子来源，其中所述的变压器的次级线圈只有一匝。

11.根据权利要求1的光子来源，其中光子束从等离子体放电区域在射束方向上被发射出来，而且所述的第二电极在与射束方向相反的方向上与等离子体放电区域隔开。

12.根据权利要求11的光子来源，其中所述的第一组离子束来源包括有数组沿着穿过等离子体放电区域的轴线排列的孔的内层和外层电极壳体，而且所述的第二电源被接在所述的内层电极壳体和所述的第二电极之间。

13.根据权利要求11的光子来源，其中所述的第二电极组成一个环。

14.根据权利要求11的光子来源，其中所述的第二电极组成用来把加热电流交付给等离子体放电区域的阴极。

15.根据权利要求1的光子来源，其中离子束先于加热电流。

16.根据权利要求1的光子来源，其中加热电流是脉冲电流，而且离子束包括先于脉冲加热电流的脉冲离子束。

17.根据权利要求1的光子来源，其中离子束是连续的，而加热电流是脉冲电流。

18.根据权利要求1的光子来源，其中离子束通过共振电荷交换至少部分地被中和。

19.根据权利要求1的光子来源，其中辐射光子在软X射线或远紫外线的波长范围内。

20.根据权利要求1的光子来源，其中离子束包含氙离子，而且辐射光子具有在大约10-15纳米范围内的波长。

21.根据权利要求1的光子来源，其中离子束包含选自氙、氢、锂、氦、氮、氧、氖、氩和氪的工作气体的离子。

22.根据权利要求1的光子来源，其中所述的第一组离子束来源包括第一空心环形电极和至少部份地包围等离子体放电区域的内层壳体。

23.根据权利要求22的光子来源，其中所述的第一电源被接在所述的第一空心环形电极和所述的内层壳体之间。

24.根据权利要求23的光子来源，其中所述的第二电源被接在所述的第一空心环形电极和所述的第二电极之间。

25.根据权利要求22的光子来源，进一步包括第二组离子来源，所述的第二组离子来源包括第二空心环形电极和所述的内层壳体。

26.根据权利要求25的光子来源，其中所述的第一电源有连接所述的第一和第二空心环形电极的第一接线端子和连接所述的内层壳体的第二接线端子。

27.根据权利要求26的光子来源，其中所述的第二电源被接在所述的第一和第二空心环形电极之间。

28.根据权利要求22的光子来源，其中所述的第一空心环形电极和所述的内层壳体有许多对定义从第一空心环形电极到等离子体放电区域的等离子体通道的孔对。

29.根据权利要求25的光子来源，其中所述的第一空心环形电极和所述的内层壳体有许多对定义从第一空心环形电极到等离子体放电区域的等离子体通道的孔对，而且所述的第二空心环形电极和所述的内层壳体有许多对定义从第二个空心环形电极到等离子体放电区域的等离子体通道的孔对。

30.根据权利要求22的光子来源，其中所述的第二电极包括杯形电极。

31.根据权利要求30的光子来源，其中所述的杯形电极通过所述内层壳体上的孔与等离子体放电区域耦合。

32.根据权利要求30的光子来源，进一步包括安装在所述的杯形电极里面的环形电极和接在所述的环形电极和所述的杯形电极之间第三电源。

33.根据权利要求30的光子来源，其中所述的杯形电极通过内层壳体上比较宽的孔口与等离子体放电区域耦合。

34.根据权利要求25的光子来源，其中所述的内层壳体被分为对应于所述的第一空心环形电极的第一壳体部分和对应于所述的第二空心环形电极的第二壳体部分，其中所述的第一和第二壳体部分通过阻值大于在交付加热电流期间等离子体的阻抗的电阻连接起来。

35.根据权利要求1的光子来源，其中所述的第二电极包括定义用来从等离子体束放电区域发射光子束的孔的结构。

36.根据权利要求11的光子来源，其中所述的第一组离子束来源在垂直于射束方向的平面中组成围绕着等离子体放电区域分布的离子束来源的环形阵列。

37.根据权利要求1的光子来源，其中在为了激励所述的第一组离子束来源所述的第一电源被触发之后大约0.1到10微秒为了交付加热电流所述的第二电源被触发。

38.根据权利要求1的光子来源，进一步包括用来把工作气体供应给放电室的气源，其中工作气体被电离以形成离子束。

39.根据权利要求1的光子来源，其中所述的第一和第二电极是这样配置的，以致加热电流沿着离子束传导到等离子体放电区域。

40.根据权利要求1的光子来源，其中光子束从等离子体放电区域沿着射束方向发射，而且所述的第二电极在射束方向上与等离子体放电区域隔开。

41.根据权利要求1的光子来源，其中所述的第一组离子束来源包括至少部份地包围等离子体放电区域的内层壳体，所述的内层壳体包括有射束出口孔的壳体部分，该壳体部分被接到参考电位上。

42.一种光子来源，其中包括：

用来在放电室中使一组离子束向等离子体放电区域加速的装置，其中离子束在它们进入等离子体放电区域之前至少部分地被中和；以及

用来把加热电流供应给等离子体放电区域的装置，其中离子束和加热电流形成发射光子的热等离子体。

43.一种用来产生光子的方法，其中包括：

使一组离子束在放电室中向等离子体放电区域加速，其中离子束在进入等离子体放电区域之前至少部分地被中和；以及

把加热电流供应给等离子体放电区域，其中离子束和加热电流形成发射光子的热等离子体。

44.一种用来产生光子的系统，其中包括：

定义放电室的外壳；

在放电室中指向等离子体放电区域的第一组离子束来源，其中所述的第一组离子来源的组成部分构成第一电极；

与等离子体放电区域隔开的第二电极；

用来激励第一组离子束来源使工作气体的离子束从第一组离子束来源向等离子体放电区域加速的第一电源，其中离子在它们进入等离子体放电区域之前至少部份地被中和；接在第一和第二电极之间用来把加热电流交付给等离子体放电区域的第二电源；

用来把工作气体供应给放电室的气源；以及

用来控制放电室中工作气体的压力的真空系统。

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