KR102340172B1

KR102340172B1 - Euv용 자유 전자 레이저 방사원

Info

Publication number: KR102340172B1
Application number: KR1020177007183A
Authority: KR
Inventors: 안드레이 알렉산드로비치 니키펠로브; 테이스 요한 코에넨; 헬부어트 제로엔 요하네스 미치엘 반; 우터 조에프 잉겔렌; 게릿 제이코부스 헨드릭 브뤼사드; 기즈스베르투스 기어트 푸터; 에릭 로엘로프 룹스트라
Original assignee: 에이에스엠엘 네델란즈 비.브이.
Priority date: 2014-08-15
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2021-12-16
Also published as: TWI673575B; JP6774934B2; WO2016023740A3; CN106797101B; TW201610605A; US9853412B2; CN106797101A; WO2016023740A2; KR20170042724A; US20170237225A1; JP2017532756A; NL2015226A

Abstract

전자 다발의 가속 페이즈에서의 전자 다발이 LINAC을 통과하는 것은 전자 다발의 감속 페이즈에서 전자 다발이 LINAC을 통과하는 것과 조율된다. 전자 다발들의 각각의 연속 쌍은, 반복되는 전자 다발 시퀀스에 따라서 개별 다발 간격만큼 시간 상 이격된다. 전자원은 전자 다발 시퀀스에 클리어링 갭을 제공하여 언듈레이터에 이온이 없게 한다. 상기 전자원이 클리어링 갭 시퀀스에 따라서, 복수 개의 에너지 복구 LINACS 각각에 대하여, 그리고 상기 클리어링 갭의 모두에 대하여, 가속 페이즈 또는 감속 페이즈에서 클리어링 갭이 LINAC을 각각 통과하는 것에 대하여, 클리어링 갭이 가속 페이즈 또는 감속 페이즈에서 LINAC을 통과하는 클리어링 갭들 중 다른 것과 조율되어 LINAC의 에너지 복구 동작을 유지하도록, 클리어링 갭을 제공한다.

Description

EUV용 자유 전자 레이저 방사원{FREE ELECTRON LASER RADIATION SOURCE FOR THE EUV}

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은 2014 년 8 월 15 일에 출원된 유럽 출원 14181152.1 및 2015 년 6 월 4 일에 출원된 유럽 출원 15170640.5 에 대한 우선권을 주장하는데, 이들은 그 전체로서 원용에 의해 본 발명에 포함된다.

본 발명은 자유 전자 레이저(FEL) 방사원, 예를 들어 4nm 내지 25nm의 범위에 있는 파장을 가지는 방사선을 생성하도록 구성되는 FEL 방사원에 관한 것이다. 예를 들어, 방사원은 패터닝 디바이스로부터의 패턴을 기판 상에 투영하기 위하여 방사선을 리소그래피 장치로 제공하도록 구성될 수 있다.

원하는 파장의 방사선을 생성하기 위하여 자유 전자 레이저(FEL) 방사원을 사용하는 기술이 알려져 있는데, 전자 다발들의 주기적 시퀀스를 포함하는 전자 빔이 언듈레이터를 통과하여 방사선을 생성한다. 이러한 소스는 4 nm 내지 25 nm의 범위에 속하는 방사선, 예를 들어 극자외(EUV) 방사선을 생성하기 위하여 사용될 수 있다.

공지된 FEL 방사원에서, 이온은 충돌형(collisional) 이온화를 통해 전자빔에 있는 잔류 가스로부터 생성된다. 수 백 MeV의 빔 에너지를 가지는 EUV FEL 소스에서의 기대된 이온 생성률과 수 십 mA의 빔 전류는, 반대의 조치가 없는 경우 전자 빔이 10 초 미만에 완전히 중성화될 수 있게(예를 들어 이온 전하가 전자 빔의 1 미터당 전자 전하와 같음) 한다. 결과적으로, 언듈레이터에서의 전자 다발의 이미턴스(emittance)는 10 mm mRad를 크게 초과할 수 있고, 변환 효율은 10 배보다 더 많이 떨어질 것이 기대되며, 따라서 EUV FEL이 거의 동작하지 못하게 한다.

이온 농도 축적이 이루어지지 않도록 하기 위해서, 전자 빔을 따라서 추출 전극을 배치하는 것 또는 짧은 추가적 갭을 가지는 빔 전류 패턴을 전자 다발의 선택된 쌍들 사이에 구현하는 것(클리어링 갭이라고도 불림)을 포함하는 여러 전략들이 제안되었다. 짧은 추가적 갭은 전자 다발의 시퀀스에 있는 누락 다발을 나타내는 것으로도 간주될 수 있다. 클리어링 갭을 사용하는 이유는, 클리어링 갭이 없었을 경우 묶음형 전자 빔의 포텐셜 내에 포획되었을 이온에게 드리프트될 어느 정도의 시간을 제공하기 위한 것이다. 알려진 제안들에 따른 클리어링 갭을 사용하는 것은 포획된 이온을 완전히 제거하지 않을 수도 있지만, FEL 동작에 해로울 수 있는 고속 이온 불안정성을 완화시키는 것이 가능할 수 있다.

공지된 FEL 소스는 언듈레이터를 통과하기 전(또는 후)에 전자 다발을 가속(또는 감속)하기 위한 LINAC을 포함한다. 제로에 가까운 평형 캐비티 부하를 가지고 동작하도록 보통 설계되는 에너지 복구 LINAC가 사용될 수 있다(예를 들어, 가속 및 감속 빔 내의 전류가 매칭되고, 가속과 감속시에 추출되고 누적되는 에너지가 거의 매칭됨).

전자 다발들 사이에 클리어링 갭을 사용하면 에너지 복구 LINAC의 동작이 왜곡될 수도 있다. G. H. Hoffstaetter 등의 Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A, 557(2006), 205-212 에서는, 단일-패스(single-pass) LINAC 시스템의 경우, 단일 패스 LINAC 내의 LINAC 모듈 내에서의 가속 및 감속 전자 빔 내의 클리어링 갭들(예를 들어 누락 다발의 트레인)을 매칭시킬 것이 제안된다. 단일 패스 LINAC 내의 클리어링 갭들을 매칭은, 각각의 전자 다발이 루프를 한 번 돌고 가속되는 동안 단일 LINAC를 한 번만 통과하고 감속되는 동안 한 번만 통과한다면 상대적으로 간단히 이루어질 수 있으며, 누락 다발이 적합한 정규 속도로 제공되어야 한다는 요구 사항에 의해 달성될 수 있다.

본 발명의 목적은 개선되거나 또는 적어도 대체할 수 있는 FEL 방사원 및 이온 축적을 감소시킬 수 있는 이러한 방사원의 작동 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 소스로부터의 빔 전류가 주기적으로 인터럽트되고, 그에 의해서 빔 내에 형성되는 갭들이 가속도 및 감속 페이즈 중에 다수의 LINAC 섹션을 통해 상호-전파될 때에 실질적으로 중첩하게 하는, 전자원에 대한 타이밍 패턴 디자인 규칙 및 FEL 방사원 내의 경로 길이에 대한 디자인 규칙이 제공된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 자유 전자 레이저(FEL) 방사원으로서, 전자 다발을 생성하기 위한 전자원, 전자 다발을 가속하고 감속하기 위한 복수 개의 선형 가속기(LINAC), 언듈레이터로서, 동작 시에 상기 언듈레이터를 상기 전자 다발이 통과하면 원하는 파장에서 방사선이 생성되도록 구성되는, 언듈레이터, 및 상기 전자원, 복수 개의 LINAC 및 언듈레이터 사이에서 상기 전자 다발을 원하는 전자 다발 경로를 따라 유도하기 위한 복수 개의 조향 유닛을 포함하는, FEL 방사원이 제공된다. 이러한 FEL 방사원은 동작 시에:- 각각의 전자 다발이 가속 페이즈 중에 상기 전자원으로부터 전자 다발 경로를 따라 복수 개의 LINAC의 각각을 적어도 한 번 통과한 뒤, 상기 언듈레이터를 통과하고, 그리고 감속 페이즈 중에 적어도 한 번 상기 복수 개의 LINAC을 통과하게끔; 전자 다발의 가속 페이즈에서 전자 다발이 LINAC을 통과하는 것이 전자 다발의 감속 페이즈에서 전자 다발이 LINAC을 통과하는 것과 조율되어, 상기 LINAC의 에너지 복구 동작을 제공하게끔; 그리고 상기 전자 다발의 각각의 연속 쌍이 반복되는 전자 다발 시퀀스에 따라 개별 다발 간격만큼 시간 상 이격되도록, 동작하도록 구성된다. 상기 전자원이, 상기 언듈레이터에서 이온을 클리어링하기 위해 상기 전자 다발 시퀀스 내에 클리어링 갭을 제공하도록 구성되며, 상기 전자원이 클리어링 갭 시퀀스에 따라서, 복수 개의 에너지 복구 LINACS 각각에 대하여, 그리고 상기 클리어링 갭의 모두에 대하여, 가속 페이즈 또는 감속 페이즈에서 클리어링 갭이 LINAC을 각각 통과하는 것에 대하여, 클리어링 갭이 가속 페이즈 또는 감속 페이즈에서 LINAC을 통과하는 클리어링 갭들 중 다른 것과 조율되어 LINAC의 에너지 복구 동작을 유지하도록, 클리어링 갭을 제공하도록 구성된다. 전자 다발 시퀀스 내의 클리어링 갭은 전자 빔 경로의 다른 부분에 그리고 언듈레이터 내에, 예를 들어 전자 빔이 다른 부분에서보다 더 많이 집광되는 경로의 부분 내에도 이온이 없어지게 할 수 있다. 전자 빔이 더 많이 집광되는 경로의 부분은, 경로의 실질적으로 직선형 섹션, 예를 들어 하나 이상의 LINAC, 벤드(bend) 이전 또는 이후의 매칭 섹션, 및 언듈레이터를 포함할 수 있다.

동작 시에, 각각의 전자 다발은 각각의 LINAC을 가속 페이즈 중에 적어도 두 번 그리고 감속 페이즈 중에 적어도 두 번 통과할 수 있다.

상기 클리어링 갭들 및 상기 클리어링 갭 중 추가적 하나는, 상기 클리어링 갭의 선행 및/또는 후행 전자 다발들이 상기 LINAC을 통과하는 동안 실질적으로 상이한 위상을 가질 수 있도록 조율될 수 있고, 이러한 위상차는 약 180 도일 수 있다.

상기 전자 다발 시퀀스는 주기적 전자 다발 시퀀스를 포함하고, 상기 클리어링 갭은 상기 주기적 전자 다발 시퀀스로부터 누락 전자 다발 및 이러한 시퀀스의 정상 다발보다 실질적으로 낮은 전하를 가지는 다발을 제공함으로써 제공될 수 있다. 예를 들어, 실질적으로 더 낮은 전하를 가지는 다발은 시퀀스의 정상 다발의 전하의 50% 미만, 또는 시퀀스의 정상 다발의 전하의 20% 미만, 또는 시퀀스의 정상 다발의 전하의 10% 미만을 가질 수 있다. 실질적으로 더 낮은 전하를 가지는 다발은 실질적으로 아무런 전하를 가지지 않을 수도 있다.

상기 클리어링 갭 시퀀스는, 상기 클리어링 갭이 상기 전자 다발 경로의 길이에 의존하는 선택된 주기 레이트로 제공되도록 할 수 있고, 상기 전자 다발 경로는 복수 개의 루프를 포함할 수 있으며, 상기 언듈레이터를 포함하는 루프 중 하나의 길이는 상기 루프 중 적어도 하나의 다른 루프의 길이에 대해 선택된 관련성을 가질 수 있고, 상기 선택된 주기 레이트 및 루프 길이들 사이의 선택된 관련성은, 동작 시에 상기 클리어링 갭의 조율을 제공하도록 할 수 있다.

복수 개의 LINAC은, 동작 시에, 각각의 전자 다발이 가속 페이즈 중에 적어도 두 번 그리고 감속 페이즈 중에 적어도 두 번 제 1 및 제 2 LINAC 각각을 통과하도록 배치될 수 있는 제 1 LINAC 및 제 2 LINAC을 포함할 수 있고, 상기 전자 다발의 경로에 포인트(Z)가:-

상기 포인트(Z)로부터 상기 제 2 LINAC을 통과하는 전자 다발의 감속 페이즈에서의 상기 전자 다발의 제 1 패스(pass)에 대한 상기 제 2 LINAC으로의 입구(K)까지의, 상기 전자 다발의 감속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리(ZK)가, 상기 제 1 LINAC의 출구(B)로부터 상기 제 2 LINAC을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발의 제 1 패스에 대한 제 2 LINAC의 입구(C)까지의, 상기 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리(BC)와 실질적으로 같고;

상기 제 2 LINAC의 출구(D)로부터 상기 제 1 LINAC을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발의 제 2 패스에 대한 상기 제 1 LINAC의 입구(E)까지의, 상기 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리(DE)가, 상기 제 2 LINAC의 출구(L)로부터 상기 제 1 LINAC을 통과하는 전자 다발의 감속 페이즈에서의 상기 전자 다발의 제 1 패스에 대한 제 1 LINAC의 입구(M)까지의, 상기 전자 다발의 감속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리(LM)와 실질적으로 같으며;

상기 제 1 LINAC의 출구(F)로부터 상기 제 2 LINAC을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발의 제 1 패스에 대한 상기 제 2 LINAC의 입구(G)까지의, 상기 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리(FG)가, 상기 제 1 LINAC의 출구(N)로부터 상기 제 2 LINAC을 통과하는 전자 다발의 감속 페이즈에서의 상기 전자 다발의 제 2 패스에 대한 제 2 LINAC의 입구(O)까지의, 상기 전자 다발의 감속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리(NO)와 실질적으로 같고;

상기 제 2 LINAC의 출구(H)로부터 상기 언듈레이터 내의 포인트(Z)까지의, 상기 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리(HZ)가, 상기 제 2 LINAC의 출구(P)로부터 상기 제 1 LINAC을 통과하는 전자 다발의 감속 페이즈에서의 상기 전자 다발의 제 2 패스에 대한 제 1 LINAC의 입구(Q)까지의, 상기 전자 다발의 감속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리(PQ)와 동일하도록, 존재한다.

상기 클리어링 갭은 반복률 R로 제공되고, R 또는 R*n(n은 정수)은 실질적으로 AZ/c 마다 하나와 같을 수 있고, AZ는 전자 다발의 가속 페이즈 중에 상기 제 1 LINAC을 통과하는 상기 전자 다발의 제 1 통로에 대한 상기 전자 다발에 대한 상기 제 1 LINAC의 입구로부터 상기 포인트(Z)까지의 상기 전자 다발 경로를 따른 거리와 실질적으로 같고, c는 상기 전자 다발 경로를 따른 상기 전자 다발의 평균 속도이다.

실질적으로 같다고 언급된 상기 전자 다발 경로를 따른 거리들의 각각의 쌍(ZK=BC, DE=LM, FG=NO, HZ=PQ)에 대하여, 상기 쌍의 거리들(ZK, DE, FG, 또는 HZ) 중 하나를 따른 전자 다발의 이동 시간은, 상기 쌍의 거리들(BC, LM, NO, PQ) 중 다른 것을 따른 전자 다발의 이동 시간과 실질적으로 동일하거나 +/- ΔL/4 보다 적은 차이를 가질 수 있고, ΔL은 클리어링 갭 지속기간이다.

상기 방사원은, 두 개 또는 3 개의 클리어링 갭이 상기 전자 다발 경로에 동시에 존재하게끔 동작하도록 구성될 수 있다.

거리들(AC, CE, EG, GZ, ZK, KM, MO 및 OQ)이 실질적으로 동일하도록 존재하며,

AC는 제 1 LINAC의 입구(A)로부터 상기 제 1 및 제 2 LINAC을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발의 제 1 패스에 대한 제 2 LINAC까지의, 상기 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리이고;

CE는 제 2 LINAC의 입구(C)로부터 상기 제 1 LINAC을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발의 제 2 패스에 대한 제 1 LINAC의 입구(E)까지의, 상기 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리이며;

EG는 제 1 LINAC의 입구(E)로부터 상기 제 1 및 제 2 LINAC를 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발의 제 2 패스에 대한 제 2 LINAC의 입구(G)까지의, 상기 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리이고;

GZ는 제 2 LINAC의 입구(G)로부터 상기 제 2 LINAC을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발의 제 2 패스에 대한 상기 언듈레이터 내의 포인트(Z)까지의, 상기 전자 다발의 가속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리이며;

KM은 제 2 LINAC의 입구(K)로부터, 상기 제 1 및 제 2 LINAC을 통과하는 전자 다발의 감속 페이즈에서의 상기 전자 다발의 제 1 패스에 대한 제 1 LINAC의 입구(M)까지의, 상기 전자 다발의 감속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리이고;

MO는 제 1 LINAC의 입구(M)로부터 상기 제 1 LINAC을 통과하는 전자 다발의 감속 페이즈에서의 상기 전자 다발의 제 1 패스에 대한 제 2 LINAC의 입구(O)까지의, 상기 전자 다발의 감속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리 이며;

OQ는 제 2 LINAC의 입구(O)로부터 상기 제 1 및 제 2 LINAC을 통과하는 전자 다발의 감속 페이즈에서의 상기 전자 다발의 제 2 패스에 대한 제 1 LINAC의 입구(Q)까지의, 상기 전자 다발의 감속 페이즈에서의 상기 전자 다발에 대한 전자 다발 경로를 따른 거리이다.

상기 클리어링 갭은 반복률 R로 제공될 수 있고, R 또는 R의 정수 배 R*n(n은 정수)은 실질적으로 AC/c 마다 하나와 같을 수 있으며, c는 상기 전자 다발 경로를 따른 상기 전자 다발의 평균 속도이다.

상기 방사원은, 8개 또는 9개의 클리어링 갭이 상기 전자 다발 경로에 동시에 존재하게끔 동작하도록 구성될 수 있다.

거리들(AC, CE, EG, GZ, ZK, KM, MO 및 OQ) 각각을 따른 전자 다발들의 이동 시간은 실질적으로 동일하거나 +/- ΔL/4 보다 적은 차이를 가질 수 있고, ΔL은 클리어링 갭 지속기간이다.

상기 복수 개의 LINAC은, 동작 시에, 각각의 전자 다발이 가속 페이즈 중에 적어도 두 번 그리고 감속 페이즈 중에 적어도 두 번 제 1 및 제 2 LINAC 각각을 통과하도록 배치되는 제 1 LINAC 및 제 2 LINAC을 포함할 수 있고, 상기 전자 다발의 경로에 포인트(Z)가:-

거리들(AC, EG, ZK, 및 MO)이 실질적으로 동일하고;

거리들(CE, GZ, KM 및 OQ)이 실질적으로 동일하도록 존재하며,-

상기 클리어링 갭은 반복률 R로 제공되고, R 또는 R의 정수 배 R*n(n은 정수)은 실질적으로 c/AE마다 하나와 같으며, c는 상기 전자 다발 경로를 따른 상기 전자 다발의 평균 속도이다.

거리들(AC, EG, ZK, 및 MO) 각각을 따른 전자 다발의 이동 시간은 실질적으로 동일하거나 +/- ΔL/4보다 적은 차이를 가질 수 있고, ΔL은 클리어링 갭 지속기간이고; 거리들(CE, GZ, KM 및 OQ) 각각을 따른 전자 다발의 이동 시간은 실질적으로 동일하거나 +/- ΔL/4 보다 적은 차이를 가질 수 있고, ΔL은 클리어링 갭 지속기간이다.

각각의 클리어링 갭은 상기 다발 시퀀스 내의 다음 클리어링 갭으로부터 클리어링 갭 반복 주기만큼 분리될 수 있고, 각각의 클리어링 갭은 클리어링 갭 지속기간을 가지며, 클리어링 갭 반복 주기에 대한 클리어링 갭 지속기간의 비율은 5%와 20% 사이, 또는 실질적으로 10%와 같을 수 있다.

상기 클리어링 갭은 클리어링 갭 반복률로 제공될 수 있고, 상기 반복률은 0.5 MHz 내지 1.5 MHz의 범위에 있을 수 있으며, 또는 실질적으로 1 MHz와 같을 수 있다.

클리어링 갭의 각각은 10 ns 이상, 또는 100ns 이상의 지속기간을 가질 수 있다.

상기 전자 다발은 10 fs 내지 10 ps의 범위(전자원에서 측정할 때)의 전자 다발 지속기간을 가질 수 있다.

상기 전자 다발은 100 MHz 내지 1 GHz의 범위의 전자 다발 지속기간에서 제공될 수 있다.

상기 전자 다발은 다발 경로를 따를 수 있고, 상기 전자원과 마지막으로 상기 다발에 의해 LINAC들 중 마지막 LINAC을 빠져나가는 것 사이의 상기 다발들 각각에 대한 다발 경로의 길이는 500 m 내지 1500 m의 범위이거나, 약 800 m일 수 있다.

상기 언듈레이터는, 동작 시에 전자 다발이 상기 언듈레이터를 통과하면 4 nm 내지 25 nm의 범위의 파장에서 방사선이 생성되도록 구성될 수 있다.

독집적으로 제공될 수 있는 본 발명의 추가적인 양태에서, 본 명세서에서 청구되거나 기술되는 방사원 및 방사원으로부터 방사선을 수신하고 패터닝 디바이스로부터의 패턴을 기판 상에 투영하기 위해 방사선을 사용하기 위한 리소그래피 장치를 포함하는 리소그래피 시스템이 제공된다.

독집적으로 제공될 수 있는 본 발명의 추가적인 양태에서, 전자 다발을 생성하기 위한 전자원, 전자 다발을 가속하고 감속하기 위한 복수 개의 선형 가속기(LINAC), 동작 시에 전자 다발이 언듈레이터를 통과하면 원하는 파장에서 방사선을 생성하도록 구성되는 언듈레이터, 및 전자 다발을 전자원, 복수 개의 LINAC 및 언듈레이터 사이에서 원하는 전자 다발 경로를 따라 유도하기 위한 복수 개의 조향 유닛을 포함하는 자유 전자 레이저(FEL) 방사원을 작동시키는 방법이 제공된다. 이러한 방법은, 동작 시에:- 각각의 전자 다발이 가속 페이즈 중에 상기 전자원으로부터 전자 다발 경로를 따라 복수 개의 LINAC의 각각을 적어도 한 번 통과한 뒤, 상기 언듈레이터를 통과하고, 그리고 감속 페이즈 중에 적어도 한 번 상기 복수 개의 LINAC을 통과하도록 작동시키는 단계를 포함한다. 전자 다발의 가속 페이즈에서의 전자 다발이 LINAC을 통과하는 것은 전자 다발의 감속 페이즈에서 전자 다발이 LINAC을 통과하는 것과 조율되어, LINAC의 에너지 복구 동작을 제공한다. 전자 다발들의 연속 쌍은, 반복되는 전자 다발 시퀀스에 따라서 개별 다발 간격만큼 시간 상 이격된다. 클리어링 갭은 상기 언듈레이터에 이온이 없게 하도록 전자 다발 시퀀스에 제공된다. 이러한 방법은, 상기 전자원이 클리어링 갭 시퀀스에 따라서, 복수 개의 에너지 복구 LINACS 각각에 대하여, 그리고 상기 클리어링 갭의 모두에 대하여, 가속 페이즈 또는 감속 페이즈에서 클리어링 갭이 LINAC을 각각 통과하는 것에 대하여, 클리어링 갭이 가속 페이즈 또는 감속 페이즈에서 LINAC을 통과하는 클리어링 갭들 중 다른 것과 조율되어 LINAC의 에너지 복구 동작을 유지하도록, 클리어링 갭을 제공하는 단계를 포함한다.

본 발명의 추가적인 양태에서, 자유 전자 레이저(FEL)를 사용하여 극자외(EUV) 방사선을 생성하는 방법으로서, 전자 다발을 생성하도록, 구동 레이저 빔을 음극 상으로 지향시키는 단계, 상기 전자 다발을 가속하도록, 상기 전자 다발을 선형 가속기(LINAC)로 통과시키는 단계, 및 EUV 방사선을 생성하도록 구성되는 언듈레이터를 통한 전자 다발 경로를 따라 상기 전자 다발을 통과시키는 단계를 포함하고, 미리 결정된 범위 안에서 상기 전자 다발의 전하 또는 이미턴스(emittance)의 변동을 적용함으로써, 상기 전자 다발 경로로부터 양으로 하전된 이온을 제거하는 단계를 더 포함하며, 전하 또는 이미턴스 변동의 미리 결정된 범위는 LINAC 내에서의 가속 구배의 변동을 제한하도록 선택되는, 방법이 제공된다.

이러한 방법은, 예를 들어 추출 전극이 사용되도록 요구하지 않고서도 FEL로부터 이온을 제거하기 때문에 유리하다.

상기 전자 다발의 전하 또는 이미턴스의 변동의 미리 결정된 범위는 상기 전자 다발의 전하 또는 이미턴스의 10% 이하일 수 있다.

이러한 변동은 전자 다발의 전하 및 이미턴스 양자 모두에 적용될 수 있다.

적용된 변동은, 음극에 입사하는 구동 레이저 빔의 레이저 펄스의 에너지를 변경함으로써 구현될 수 있다.

구동 레이저 빔의 레이저 펄스의 에너지를 변경하는 것은, 구동 레이저와 연관된 노이즈의 증폭을 포함할 수 있다.

구동 레이저의 펄스의 에너지를 변경하도록 포켈스 셀이 사용될 수 있다.

구동 레이저에 의해 생성된 펄스의 파면은 변경될 수 있다.

포켈스 셀은 구동 레이저에 의해 생성된 펄스의 파면을 변경하도록 사용될 수 있다.

음극의 온도는 전자 다발의 이미턴스의 변동을 적용하기 위하여 변경될 수 있다.

음극 상에 입사하는 레이저가 음극의 온도를 변동시키기 위하여 사용될 수 있다.

본 발명의 추가적인 양태에서, 자유 전자 레이저(FEL) 극자외(EUV) 방사원으로서, 레이저 펄스를 방출하도록 구성되는 구동 레이저, 상기 레이저 펄스를 수광하고 전자 다발을 생성하도록 구성되는 음극, 상기 전자 다발을 가속하도록 구성되는 선형 가속기(LINAC), 및 상기 전자 다발을 수광하고 EUV 방사선 빔을 출력하도록 구성되는 언듈레이터를 포함하고, FEL은, 상기 전자 다발의 전하 또는 이미턴스를 미리 결정된 범위 안에서 변동시키도록 제어 유닛에 의해 제어되는 전자 다발 전하 또는 이미턴스 변동 장치를 포함하는 이온 제거 장치를 포함하고, 상기 미리 결정된 범위는 FEL로부터 이온을 제거하지만 LINAC 내의 가속 구배의 변동을 제한하도록 선택되는, FEL EUV 방사원이 제공된다.

이것은, 예를 들어 추출 전극이 사용되도록 요구하지 않고서도 FEL로부터 이온을 제거하기 때문에 유리하다.

구동 레이저에 의해 생성된 펄스의 파면은 변경될 수 있다.

본 발명의 추가적인 양태에서, 자유 전자 레이저(FEL) 극자외(EUV) 방사원으로서, 전자 다발을 가속하도록 구성되는 선형 가속기(LINAC) 및 상기 전자 다발을 수광하고 EUV 방사선 빔을 출력하도록 구성되는 언듈레이터를 포함하고, FEL은 FEL의 빔 파이프 내로 연장되는 RF 에버네슨트(evanescent) 전자기파 또는 비팅(beating) RF 전자기파를 제공하도록 구성되는 RF 전자기파 방출기를 더 포함하는, FEL EUV 방사원이 제공된다.

이것은, 이온이 빔 파이프를 따라 그들이 추출될 수 있는 포인트까지 푸시되게 하고, 그 결과로서 이온들이 빔 파이프 내에서 더 적은 시간을 보내도록 하기 때문에 유리하다.

RF 전자기파 방출기는 상기 언듈레이터의 언듈레이터 모듈의 일측에 있는 빔 파이프로 연결될 수 있다.

추출 전극은 언듈레이터 모듈의 반대측에 제공될 수 있다.

본 발명의 추가적인 양태에서, 자유 전자 레이저(FEL)를 사용하여 극자외(EUV) 방사선을 생성하는 방법으로서, 전자 다발을 가속하기 위하여 전자 다발을 선형 가속기(LINAC)로 통과시키고, EUV 방사선을 생성하도록 구성되는 언듈레이터를 통한 전자 다발 경로를 따라 상기 전자 다발을 통과시키는 단계를 포함하고, 상기 방법은, FEL의 빔 파이프 내로 연장되고 빔 파이프를 따라서 이온을 밀어내는 RF 에버네슨트(evanescent) 전자기파 또는 비팅 RF 전자기파를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방사선 생성 방법이 제공된다.

상기 RF 에버네슨트 전자기파 또는 비팅 RF 전자기파가 내부로 연장되는 빔 파이프는 언듈레이터 모듈 내에 위치될 수 있다.

RF 에버네슨트 전자기파 또는 비팅 RF 전자기파는 이온을 상기 언듈레이터 모듈의 반대쪽 끝을 향해 밀어내는 전위를 제공할 수 있다.

추출 전극은 언듈레이터 모듈의 해당 반대측에 제공될 수 있다.

전위는 자유 전자 레이저로부터 약 1ms 내에 이온을 제거하기에 충분이 높은 구배를 가질 수 있다.

전술되거나 후술되는 본 발명의 양태 및/또는 특징은 당업자에게 용이하게 명백히 이해되는 바와 같이 본 발명의 다른 양태 및/또는 특징과 결합될 수 있다.

본 발명의 실시예는 첨부된 개략적인 도면을 참조하여 이제 예시하는 방식으로만 설명될 것이다:
- 도 1 은 방사원과 복수 개의 리소그래피 장치를 포함하는 리소그래피 시스템의 개략도이다;
- 도 2 는 도 1 의 리소그래피 시스템의 일부를 형성하는 리소그래피 장치의 개략도이다;
- 도 3 은 자유 전자 레이저의 개략도이다;
- 도 4 는 두 개의 자유 전자 레이저를 포함하는 방사원을 포함하는 리소그래피 시스템의 개략도이다;
- 도 5 는 광학계의 개략도이다;
- 도 6 은 다른 자유 전자 레이저의 개략도이다;
- 도 7 은 일 실시예에 따른, 두 개의 에너지-복구 멀티-패스 LINAC을 포함하는 자유-전자 레이저 방사원의 개략도이다;
- 도 8 내지 도 11 은 도 7 의 자유-전자 레이저 방사원의 제 1 동작 모드에 따른 전자 다발 경로를 따라서 클리어링 갭의 쌍이 진행되는 것을 나타내는 개략도이다;
- 도 9 내지 도 15 는 도 7 의 자유-전자 레이저 방사원의 제 2 동작 모드에 따른 전자 다발 경로를 따라서 클리어링 갭의 쌍이 진행되는 것을 나타내는 개략도이다;
- 도 16 은 도 7 의 자유-전자 레이저 방사원의 제 2 동작 모드에 따른, 시간 상의 포인트에서의 전자 다발 경로를 따른 다수의 클리어링 갭의 위치를 나타내는 개략도이다;
- 도 17 및 도 18 은 도 7 의 자유-전자 레이저 방사원의 제 3 동작 모드에 따른 전자 다발 경로를 따라서 클리어링 갭이 진행되는 것을 나타내는 개략도이다;
- 도 19 는 클리어링 갭의 통과가 다른 클리어링 갭과 조율되지 않는 경우의, 클리어링 갭의 통과 중의 LINAC 모듈 내에서의 상대 rms 진폭 구배 변동의 그래프이다;
- 도 20 은 전자 빔 경로 내의 양의 이온의 궤적에 대한 비정규적 전자 다발의 영향의 개략도이다;
- 도 21 은 전자 주입기의 일 실시예의 개략도이다;
- 도 22 는 구동 레이저에 의해 생성된 레이저 펄스의 세트가 고속 변조 유닛 및 갭 도입 유닛을 통과하여 이동할 때에 그 에너지의 변동의 그래프이다;
- 도 23 은 최적 전하 변조 함수의 일 예의 그래프이다;
- 도 24 는 최적 전하 변조 함수의 다른 예의 그래프이다;
- 도 25 는 차선의(sub-optimal) 전하 변조 함수의 일 예의 그래프이다;
- 도 26 은 RF 전자기파 주입 장치의 개략적인 예시도이다; 그리고
- 도 27 은 전자기파 주입 장치를 사용하여 생성된 에버네슨트 전자기파의 필드 세기를 예시하는 그래프이다.

도 1 은 방사원(SO), 빔 분할 장치(20) 및 복수 개의 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)를 포함하는 리소그래피 시스템(LS)을 보여준다. 방사원(SO)은 적어도 하나의 자유전자 레이저를 포함하고, 극자외(EUV) 방사선 빔(B)을 생성하도록 구성된다(메인 빔 이라고 불릴 수 있음). 메인 방사선 빔(B)은 복수 개의 방사선 빔(B₁-B₂₀)(분기 빔 이라고 불릴 수 있음)으로 분할되는데, 빔 분할 장치(20)에 의하여 이들 각각은 다른 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀) 중 하나로 지향된다. 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)은, 각각의 분기 방사선 빔이 선행 분기 방사선 빔의 하류에 있는 메인 방사선 빔(B)으로부터 분할되면서, 메인 방사선 빔(B)으로부터 연속적으로 분할될 수 있다. 빔 분할 장치는, 예를 들어 메인 방사선 빔(B)의 일부를 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)으로 각각 분할하도록 구성되는 일련의 미러(미도시)를 포함할 수 있다.

분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)은 도 1 에서, 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)이 메인 방사선 빔(B)의 전파 방향에 거의 수직인 방향으로 전파하도록 메인 방사선 빔(B)으로부터 분할되는 것으로 도시된다. 그러나, 일부 실시예들에서, 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)은 그 대신에, 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)의 전파 방향과 메인 방사선 빔의 전파 방향 사이의 각도가 90 도보다 실질적으로 작도록, 메인 방사선 빔(B)으로부터 분할될 수도 있다. 그러면, 빔 분할 장치의 미러가, 메인 방사선 빔(B)이 수직보다 더 작은 입사각에서 미러에 입사하도록 배치될 수 있게 된다. 그러면 바람직하게는, 미러에 의해 흡수되는 방사선량이 감소될 수 있고, 따라서 미러에 의해 반사되고 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)을 통해 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)로 제공되는 방사선량이 증가될 수 있다.

리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)는 모두 동일한 수직 레벨에 위치될 수 있다. 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)가 위치되는 수직 레벨은 빔 분할 장치(20)가 위치되고 메인 빔(B)이 방사원(SO)으로부터 수광되는 수직 레벨과 실질적으로 동일한 수직 레벨일 수 있다. 또는, 빔 분할 장치(20)는 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀) 중 적어도 일부를 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀) 중 일부가 위치되는 하나 이상의 상이한 수직 레벨로 지향할 수 있다. 예를 들어, 메인 방사선 빔(B)은 지하실 또는 1층 수직 레벨에서 빔 분할 장치에 의해 수광될 수 있다. 빔 분할 장치(20)는 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀) 중 적어도 일부를 빔 분할 장치 상에 위치되고 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)중 적어도 일부가 위치되는 수직 레벨로 지향할 수 있다. 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)는 다수의 수직 레벨에 위치될 수 있고, 따라서 빔 분할 장치(20)는 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)에 의해 수신되도록 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)을 상이한 수직 레벨로 지향할 수 있다.

방사원(SO), 빔 분할 장치(20), 및 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)는 모두 이들이 외부 환경으로부터 고립될 수 있게 구성되고 구현될 수도 있다. EUV 방사선의 흡수를 최소화하기 위하여, 방사원(SO), 빔 분할 장치(20) 및 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)의 적어도 일부에 진공이 제공될 수도 있다. 다른 리소그래피 시스템(LS)의 일부에는 다른 압력에서 진공이 제공될 수 있다(즉 대기압보다 낮은 압력에서 유지됨).

도 2 는 도 1 에 도시된 리소그래피 시스템(LS)의 리소그래피 장치(LA₁)의 개략적인 도면이다. 리소그래피 장치(LA₁)는 조명 시스템(IL), 패터닝 디바이스(MA)(예를 들어 마스크)를 지지하도록 구성되는 지지 구조체(MT), 투영 시스템(PS) 및 기판(W)을 지지하도록 구성되는 기판 테이블(WT)을 포함한다. 조명 시스템(IL)은 패터닝 디바이스(MA)에 입사하기 이전에 해당 리소그래피 장치(LA₁)에 의하여 수광되는 분기 방사선 빔(B₁)을 컨디셔닝하도록 구성된다. 투영 시스템(PS)은 분기 방사선 빔(B₁)(이제 마스크(MA)에 의하여 패터닝됨)을 기판(W)에 투영시키도록 구성된다. 기판(W)은 이전에 형성된 패턴을 포함할 수도 있다. 이러한 경우에, 리소그래피 장치는 패터닝된 방사선 빔(B₁)을 이전에 기판(W)에 형성된 패턴과 정렬한다.

리소그래피 장치(LA₁)에 의하여 수광되는 분기 방사선 빔(B₁)은 조명 시스템(IL)의 밀폐 구조 내의 개구(8)를 통해 빔 분할 장치(20)로부터 조명 시스템(IL) 내로 전달된다. 또는, 분기 방사선 빔(B₁)은 개구(8)에 또는 그 근처에 중간 초점을 형성하도록 집광될 수 있다.

조명 시스템(IL)은 다면형(facetted) 필드 미러 디바이스(10) 및 다면형 퓨필 미러 디바이스(11)를 포함할 수 있다. 다면형(faceted) 필드 미러 디바이스(10)와 다면형 퓨필 미러 디바이스(11)는 함께 원하는 단면 형상 및 원하는 각도 분포를 가지는 방사선 빔(B₁)을 제공한다. 방사선 빔(B₁)은 조명 시스템(IL)으로부터 전달되고 지지 구조체(MT)에 의하여 홀딩되는 패터닝 디바이스(MA) 상에 입사한다. 패터닝 디바이스(MA)는 방사선 빔을 반사하고 패터닝하여 패터닝된 빔(B₁₁)을 형성한다. 조명 시스템(IL)은 다면형 필드 미러 디바이스(10) 및 다면형 퓨필 미러 디바이스(11)에 더하여 또는 그 대신에 다른 미러 또는 디바이스를 포함할 수 있다. 조명 시스템(IL)은, 예를 들어 독립적으로 이동가능한 미러들의 어레이를 포함할 수 있다. 독립적으로 이동가능한 미러는, 예를 들어 1mm 폭 미만을 측정할 수도 있다. 독립적으로 이동가능한 미러는, 예를 들어 MEMS 디바이스일 수도 있다.

패터닝 디바이스(MA)로부터 반사된 이후에, 패터닝된 방사선 빔(B₁₁)은 투영 시스템(PS)에 진입한다. 투영 시스템은 방사선 빔(B₁₁)을 기판 테이블(WT)에 의하여 홀딩되는 기판(W) 상에 투영하도록 구성되는 복수 개의 미러(13, 14)를 포함한다. 투영 시스템(PS)은 감소 인자를 방사선 빔에 적용하여, 패터닝 디바이스(MA) 상의 대응하는 피쳐 보다 더 작은 피쳐가 있는 이미지를 형성한다. 예를 들어, 4 의 감소 인자가 적용될 수도 있다. 비록 투영 시스템(PS)이 도 2 에서 두 개의 미러(13, 14)를 가지지만, 투영 시스템은 임의의 개수의 미러(예를 들어 6 개의 미러)를 포함할 수도 있다.

일부 실시예들에서, 리소그래피 시스템(LS)은 하나 이상의 마스크 검사 장치(미도시)를 포함할 수 있다. 마스크 검사 장치는 빔 분할 장치(20)로부터 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)을 수광하고 분기 방사선 빔을 마스크(MA)로 지향하도록 구성되는 광학기(예를 들어 미러)를 포함할 수 있다. 마스크 검사 장치는 마스크로부터 반사된 방사선을 수집하고 이미징 센서에서 마스크의 이미지를 형성하도록 구성되는 광학기(예를 들어 미러)를 더 포함할 수 있다. 이미징 센서에서 수신되는 이미지는 마스크(MA)의 하나 이상의 특징을 결정하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 마스크 검사 장치는, 기판 테이블(WT)이 이미징 센서로 대체된 형태에서 도 2 에 도시되는 리소그래피 장치(LA₁)와 유사할 수도 있다.

일부 실시예들에서, 리소그래피 시스템(LS)은 마스크(MA)의 하나 이상의 특징을 측정하기 위하여 사용될 수 있는 하나 이상의 공간상 측정 시스템(하나 이상의 공간상 측정 시스템(AIMS); AIMS)을 포함할 수 있다. 예를 들어, AIMS는 빔 분할 장치(20)로부터 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)을 수광하고 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)을 사용하여 마스크(MA)의 하나 이상의 특징을 결정하도록 구성될 수 있다.

방사원(SO)은 EUV 방사선빔을 생성하도록 동작가능한 자유 전자 레이저(FEL)를 포함한다. 또는, 방사원(SO)은 두 개 이상의 자유 전자 레이저(FEL)를 포함할 수도 있다.

자유 전자 레이저는 전자원을 포함하는데, 이것은 다발형 상대론적 전자 빔과 상대론적 전자(relativistic electron)의 다발이 통과하도록 지향되는 주기적 자기장을 생성하도록 동작가능하다. 주기적인 자기장이 언듈레이터에 의하여 생성되고, 전자가 중심축 중심으로 발진 경로를 따라가게 한다. 자기장에 의하여 야기된 가속도의 결과로서, 전자들은 일반적으로 중심축의 방향으로 전자기 방사선을 자발적으로 방출한다. 상대론적 전자는 언듈레이터 내의 방사선과 상호작용한다. 어떤 조건에서는, 이러한 상호작용에 의하여 전자들이 미세다발로 서로 다발을 이루고, 언듈레이터 내에서 방사선의 파장에서 변조되며, 중심축에 따른 방사선의 코히어런트 방출이 자극된다.

도 3 은 전자원(21), 선형 가속기(22), 조향 유닛(23), 및 언듈레이터(24)를 포함하는 자유 전자 레이저(FEL)의 개략도이다. 전자원(21)은 주입기라고도 달리 불릴 수도 있다.

전자원(21)은 전자빔(E)을 생성하도록 동작가능하다. 예를 들어, 전자원(21)은 광음극 또는 열이온 음극 및 가속 전기장을 포함할 수 있다. 전자 빔(E)은 일련의 전자 다발을 포함하는 묶음형 전자 빔(E)이다. 전자빔(E)은 선형 가속기(22)에 의하여 상대론적 에너지까지 가속된다. 일 예에서, 선형 가속기(22)는 공통 축을 따라 축상 이격되는 복수 개의 무선 주파수 캐비티, 및 하나 이상의 무선 주파수 파워 소스를 포함하는데, 이것은 각각의 전자 다발을 가속하기 위하여 전자 다발이 파워 소스 사이를 통과할 때 공통 축을 따라 전자기장을 제어하도록 동작가능하다. 캐비티는 초전도 무선 주파수 캐비티일 수도 있다. 바람직하게는, 이것은: 상대적으로 큰 전자기장이 높은 듀티 사이클로 인가되도록; 더 큰 빔 개구부가 형성되어 웨이크필드(wakefields)에 기인한 손실이 적어지도록; 그리고 빔으로 투과되는(공동 벽을 통해 소산되는 것과 반대로) 무선 주파수 에너지의 부분이 증가되도록 한다. 대안적으로는, 캐비티는 통상적으로 도전형이고(즉 초전도형이 아님), 예를 들어 구리로 제조될 수 있다. 다른 유형의 선형 가속기가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 선형 가속기(22)는 레이저 가속기를 포함하는데, 여기에서 전자빔(E)은 집광된 레이저 빔을 통과하고 레이저 빔의 전기장이 전자를 가속시킨다.

상대론적 전자빔(E)은 선형 가속기(22)를 빠져나와 조향 유닛(23)에 진입한다. 조향 유닛(23)은 전자 빔(E)을 선형 가속기(22)로부터 언듈레이터(24)로 지향하도록 상대론적 전자 빔(E)의 궤적을 변경하도록 동작가능하다. 예를 들어, 조향 유닛(23)은 조향 유닛(23) 내에 자기장을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 전자석을 포함할 수 있다. 자기장은 전자빔(E)의 궤적을 변경하는 역할을 하는 힘을 전자빔(E)에 인가한다. 선형 가속기(22)를 벗어날 때의 전자빔(E)의 궤적은 전자자를 언듈레이터(24)로 지향시키도록 조향 유닛(23)에 의해 변경된다.

조향 유닛(23)이 하나 이상의 전자석 및/또는 영구 자석을 포함하는 실시예들에서, 자석들은 자기 쌍극자, 자기 사극자, 자기적 육극자(sextupole) 및/또는 전자빔(E)에 힘을 인가하도록 구성되는 임의의 다른 종류의 다극 자기장 장치 중 하나 이상을 형성하도록 구현될 수 있다. 조향 유닛(23)은 추가적으로 또는 대안적으로, 전자빔(E)에 힘이 인가되도록 조향 유닛(23) 내에 전기장을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 전기적으로 충전된 플레이트를 포함할 수 있다. 일반적으로, 조향 유닛(23)은 전자빔(E)에 힘을 가해서 그 궤적을 변경하게 동작가능한 임의의 장치를 포함할 수 있다.

조향 유닛(23)은 상대론적 전자 빔(E)을 언듈레이터(24)로 지향시킨다. 언듈레이터(24)는, 전자 빔(E)이 언듈레이터(24) 내의 방사선과 상호작용하여 코히어런트 방사선의 방출을 자극하도록, 상대론적 전자를 주기적 경로를 따라 유도하도록 동작가능하다. 일반적으로, 언듈레이터(24)는 복수 개의 자석을 포함하고, 이들은 전자 빔(E)이 주기적 경로를 따르도록 하는 주기적 자기장을 생성하도록 동작가능하다. 결과적으로, 전자는 일반적으로 언듈레이터(24)의 중심축의 방향에서 전자기 방사선을 방출한다. 언듈레이터(24)는 각각의 섹션이 주기적 자석 구조체를 포함하는 복수 개의 섹션(미도시)을 포함할 수 있다. 전자기 방사선은 각각의 언듈레이터 모듈이 시작될 때에 다발들을 형성할 수 있다. 언듈레이터(24)는 전자빔(E)을 리포커싱(refocus)하기 위한 메커니즘으로서, 예컨대 인접한 섹션들의 하나 이상의 쌍 사이에 있는 사극 자석을 더 포함할 수 있다. 전자빔(E)을 리포커싱하기 위한 메커니즘은 전자 다발의 크기를 감소시킬 수도 있는데, 이것은 전자와 언듈레이터(24) 내의 방사선 사이의 커플링을 개선시켜서 방사선의 방출을 더 많이 자극시킨다.

전자가 각각의 언듈레이터(24)를 통과하여 이동할 때에, 이들은 언듈레이터(24) 내의 전자기 방사선의 전기장과 상호작용하여, 방사선과 에너지를 교환한다. 일반적으로 전자와 방사선 사이에서 교환된 에너지량은 조건들이 다음과 같은 공진 조건에 가깝지 않는 한 신속하게 발진할 것이다:

여기에서 λ _em 은 방사선의 파장이고, λ _u 는 언듈레이터 주기이며, γ 는 전자의 로렌츠 인자이고 K는 언듈레이터 파라미터이다. A는 언듈레이터(24)의 기하학적 구조에 의존한다: 나선형 언듈레이터의 경우 A=1인 반면에 평면형 언듈레이터에서는 A=2 이다. 에너지의 확산이 가능한 한 최소화될 수도 있지만(낮은 이미턴스를 가지는 전자 빔(E)을 생성함으로써), 실제로는 각각의 전자 다발은 에너지 확산을 가질 것이다. 언듈레이터 파라미터 K는 통상적으로 약 1 이고 다음과 같이 주어진다:

인데,

여기에서 q 및 m은 각각 전자의 전하 및 질량이고, B ₀ 는 주기적 자기장의 진폭이며, c는 광속이다.

공진 파장 λ _em 은 언듈레이터(24)를 통과하여 이동하는 전자들에 의하여 자발적으로 방출된 제 1 고조파 파장과 동일하다. 자유 전자 레이저(FEL)는 자기-증폭된 자발적 방출(self-amplified spontaneous emission; SASE) 모드에서 동작할 수도 있다. SASE 모드에서 동작하려면 전자빔이 각각의 언듈레이터(24)에 진입하기 이전에 전자빔(E) 내의 전자 다발이 낮은 에너지 확산해야 할 수도 있다. 대안적으로는, 자유 전자 레이저(FEL)는 시드 방사원을 포함할 수 있는데, 이것은 언듈레이터(24) 내의 자극된 방출에 의하여 증폭될 수 있다.

언듈레이터(24)를 통과하여 이동하는 전자는 방사선의 진폭이 증가하도록 할 수도 있고, 즉, 자유 전자 레이저(FEL)는 비-제로 이득을 가질 수도 있다. 최대 이득은 공진 조건이 만족될 때 획득될 수도 있거나 이러한 조건이 공진에 가깝지만 다소 어긋날 경우에 만족된다.

언듈레이터(24)에 진입할 때 공진 조건을 만족하는 전자는, 방사선을 방출(또는 흡수)할 때에 에너지를 상실(획득)할 것이고, 따라서 공진 조건이 더 이상 만족되지 않는다. 그러므로, 일부 실시예들에서, 언듈레이터(24)는 테이퍼링될 수도 있다. 즉, 주기적 자기장의 진폭 및/또는 언듈레이터 주기 λ _u 는, 전자 다발이 언듈레이터(24)를 통과하여 유도될 때에 전자 다발을 공진에 또는 이에 가깝게 유지시키기 위하여, 언듈레이터(24)의 길이에 따라 변동할 수도 있다. 언듈레이터(24) 내의 전자와 방사선 사이의 상호작용이 전자 다발 내의 에너지가 확산하게 한다는 것에 주의한다. 언듈레이터(24)의 테이퍼링은 공진하고 있거나 공진에 가까운 전자들의 개수를 최대화하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 전자 다발은 피크 에너지에서 최대가 되는 에너지 분포를 가질 수 있고, 테이퍼링은 이러한 피크 에너지의 전자들이 언듈레이터(24)를 통과하여 유도될 때에 이들이 공진을 유지하거나 공진에 가까운 상태를 유지하도록 배치될 수 있다. 바람직하게는, 언듈레이터의 테이퍼링은 변환 효율을 크게 증가시키는 능력이 있다. 테이퍼링된 언듈레이터를 사용하면 변환 효율(즉, 방사선 빔(B) 내의 방사선으로 변환되는 전자빔(E)의 에너지의 일부)을 2 가 넘는 인자로 증가시킬 수도 있다. 언듈레이터의 테이퍼링은 언듈레이터 파라미터 K를 이것의 길이를 따라서 감소시킴으로써 획득될 수도 있다. 이것은 언듈레이터의 축을 따라 언듈레이터 주기 λ _u 및/또는 자기장 세기 B0 및/또는 생성된 방사선의 편광을 규정하고 언듈레이터의 기하학적 구조에 의해 규정되는 파라미터(흔히 A로 표시됨)를 전자 다발 에너지에 매칭시켜 이들이 공진 상태이거나 공진 상태에 가깝도록 보장함으로써 달성될 수 있다. 이러한 방식으로 공진 조건을 만족시키면 방출된 방사선의 대역폭이 증가된다.

언듈레이터(24)를 떠난 이후에, 전자기 방사선은 방사선 빔(B')으로서 방출된다. 방사선 빔(B')은 EUV 방사선을 포함하고, 빔 분할 장치(20)(도 1 에서 묘사되는)로 제공되고 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)로 제공되는 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)을 형성하는 방사선 빔(B)의 전부 또는 일부를 형성할 수 있다.

도 3 에 도시되는 자유 전자 레이저의 실시예에서, 언듈레이터(24)를 벗어나는 전자 빔(E')은 제 2 조향 유닛(25)에 진입한다. 제 2 조향 유닛(25)은, 전자 빔(E')을 다시 선형 가속기(22)를 통해 지향시키도록, 언듈레이터(24)를 벗어나는 전자 빔(E')의 궤적을 변경한다. 제 2 조향 유닛(25)은 조향 유닛(23)과 유사할 수 있고, 예를 들어 하나 이상의 전자석 및/또는 영구 자석을 포함할 수 있다. 제 2 조향 유닛(25)은 언듈레이터(24)를 벗어나는 방사선 빔(B')의 궤적에 영향을 주지 않는다. 그러므로, 조향 유닛(25)은 전자 빔(E')의 궤적을 방사선 빔(B')으로부터 디커플링한다. 일부 실시예들에서, 전자 빔(E')의 궤적은 제 2 조향 유닛(25)에 도달하기 이전의 방사선 빔(B')의 궤적으로부터 디커플링될 수 있다(예를 들어 하나 이상의 자석을 사용).

제 2 조향 유닛(25)은 전자 빔(E')을 언듈레이터(24)를 떠난 이후에 선형 가속기(22)로 지향한다. 언듈레이터(24)를 통과한 전자 다발은 선형 가속기(22) 내의 가속 필드(예를 들어 무선 주파수 필드)에 대해 약 180 도의 위상차를 가지고 선형 가속기(22)에 진입할 수 있다. 전자 다발과 선형 가속기(22) 내의 가속 필드 사이의 위상차는 전자가 이러한 필드에 의하여 감속되게 한다. 감속하는 전자(E')는 그들의 에너지의 일부를 선형 가속기(22) 내의 필드로 다시 전달하고, 이를 통하여 전자원(21)으로부터 도달하는 전자빔(E)을 가속시키는 필드의 세기를 증가시킨다. 그러므로 이러한 배치는, 전자원(21)으로부터 도달하는 후속 전자 다발을 가속하기 위하여, 선형 가속기(22) 내의 전자 다발로 제공되었던(이들이 선형 가속기에 의해 가속될 때) 에너지의 일부를 복구한다. 이러한 배치는 에너지 복구 LINAC이라고 알려져 있을 수도 있다.

선형 가속기(22)에 의해 감속되는 전자(E')는 빔 덤프(26)에 의해 흡수된다. 조향 유닛(23)은 선형 가속기(22)에 의해 감속된 바 있는 전자 빔(E')의 궤적을 선형 가속기(22)에 의해 가속된 바 있는 전자 빔(E)의 궤적으로부터 디커플링하도록 동작가능할 수 있다. 그러면, 가속된 전자 빔(E)이 언듈레이터(24)로 지향되는 동안에, 감속된 전자 빔(E')이 빔 덤프(26)에 의해 흡수될 수 있다.

또는, 자유 전자 레이저(FEL)는 조향 유닛(23)과 분리되고 가속된 전자 빔(E)의 궤적을 조향 유닛(23)의 상류의 감속된 전자 빔(E')의 궤적으로부터 디커플링하도록 구성되는 빔 분할 유닛(미도시)을 포함할 수 있다.

또는 가속된 전자 빔(E)의 궤적은 실질적으로 일정한 자기장을 생성함으로써 감속된 전자 빔(E')의 궤적으로부터 디커플링될 수 있다. 가속된 전자 빔(E)과 감속된 전자 빔(E') 사이의 에너지차는 두 개의 전자 빔들의 궤적이 일정한 자기장에 의해 상이한 양만큼 변경되게 한다. 그러므로, 두 개의 전자 빔의 궤적은 서로 디커플링되게 될 것이다.

빔 덤프(26)는, 예를 들어 많은 양의 물 또는 고 에너지 전자 충격에 의한 방사능 동위 원소 생성에 대한 높은 임계를 가지는 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 빔 덤프(26)는 약 15MeV의 방사능 동위 원소 생성에 대한 임계를 가지는 알루미늄을 포함할 수 있다. 빔 덤프(26)에 입사되기 전에 선형 가속기(22) 내에서 전자 빔(E')을 감속함으로써, 전자들이 빔 덤프(26)에 의해 흡수될 때의 전자의 에너지량이 감소된다. 그러면 유도된 방사선의 레벨 및 빔 덤프(26) 내에 생성되는 이차 입자가 감소된다. 이것은, 방사능 폐기물을 빔 덤프(26)로부터 제거하고 처리할 필요성을 없애거나 감소시킨다. 방사능 폐기물을 제거하려면 자유 전자 레이저(FEL)를 주기적으로 꺼야하고, 방사능 폐기물을 처리하는 것이 고비용일 수 있고 심각한 환경적 문제를 야기할 수 있기 때문에, 위와 같은 특징은 유리하다.

감속기로서 동작할 때, 감속기(22)는 전자(E')의 에너지를 임계 에너지 아래로 감소시키도록 동작가능할 수 있다. 이러한 임계 에너지 아래의 전자는 빔 덤프(26) 내에 방사능의 임의의 레벨을 유도하지 않을 수 있다.

일부 실시예들에서, 선형 가속기(22)와 분리되는 감속기(미도시)는 언듈레이터(24)를 통과한 전자 빔(E')을 감속하기 위하여 사용될 수 있다. 전자 빔(E')은, 선형 가속기(22)에 의해 감속되는 것에 추가하거나 선형 가속기(22)에 의해 감속되는 것 대신에 감속기에 의해 감속될 수 있다. 예를 들어, 제 2 조향 유닛(25)은 전자 빔(E')이 선형 가속기(22)에 의해 감속되기 이전에 전자 빔(E')을 감속기를 통해 지향할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전자 빔(E')은 선형 가속기(22)에 의해 감속된 이후에 그리고 빔 덤프(26)에 의해 흡수되기 전에 감속기를 통과할 수 있다. 또는, 전자 빔(E')은 언듈레이터(24)를 벗어난 이후에 선형 가속기(22)를 통과하지 않을 수 있고, 빔 덤프(26)에 의해 흡수되기 전에 하나 이상의 감속기에 의해 감속될 수 있다.

또는, 자유 전자 레이저(FEL)는 하나 이상의 다발 압축기(미도시)를 포함할 수 있다. 다발 압축기는 선형 가속기(22)의 하류 또는 상류에 배치될 수 있다. 다발 압축기는 전자를 전자 빔(E) 내에서 다발화(bunch)하고 전자 빔(E) 내의 현존 전자 다발을 공간적으로 압축하도록 구성된다. 다발 압축기의 하나의 타입은 전자 빔(E)에 평행하도록 지향되는 가속 필드를 포함한다. 전자 빔(E) 내의 전자는 제공된 필드와 상호작용하고 인접한 다른 전자들과 다발을 이룬다. 다발 내의 전자들에 대해 부과된 에너지차는 비-상대론적 케이스로의 상이한 전파 시간으로 전환된다. 따라서, 이러한 다발 압축기로부터의 특정 거리에서, 빔은 종방향으로 압축될 수 있다. 다른 타입의 다발 압축기는 자기적 다발압축기(chicane)인데, 전자가 다발압축기를 통과할 때에 전자가 따라가는 경로 길이는 전자의 에너지에 의존한다. 이러한 타입의 다발 압축기는, 그 포텐셜이 예를 들어 무선 주파수에서 발진하는 복수 개의 도체에 의하여 선형 가속기(22) 내에서 가속된 전자 다발을 압축하기 위하여 사용될 수도 있다.

언듈레이터의 이득 길이는 광 증폭의 특성 스케일을 규정한다. 이득 길이는 언듈레이터를 통해 전송된 다발 내의 전하 밀도가 높아질수록 짧아진다. 따라서, 압축 다발을 방사상으로 및 종방향으로 압축하는 것이 유익할 수 있다. 동시에, 다발 이미턴스 열화율은 압축된 다발에 대해 증가한다. 즉, 정규화된 이미턴스는 빔 라인 내의 전파의 미터 당 증가하고, 웨이크-필드 및 코히어런트 싱크로트론 방사선에 기인한 더 높은 손실들은 더 짧은 다발과 연관된다. 따라서, 다발 압축기를 조향 유닛(23)과 언듈레이터(24) 사이에 배치하는 것이 가장 유리할 수 있다.

도 3 에 도시되는 자유 전자 레이저(FEL)는 빌딩(31) 내에 수납된다. 빌딩(31)은, 자유 전자 레이저(FEL)가 동작하는 동안 자유 전자 레이저(FEL)에서 생성된 방사선을 실질적으로 전파하지 않는 벽을 포함할 수 있다. 예를 들어, 빌딩(31)은 두꺼운 콘크리트 벽(예를 들어 벽은 약 4 미터 두께임)을 포함할 수 있다. 빌딩(31)의 벽에는, 예를 들어 리드 및/또는 중성자 및/또는 다른 방사선 타입을 흡수하도록 구성되는 다른 재료와 같은 방사선 실드 재료가 더 제공될 수 있다. 빌딩(31)의 벽에 방사선 흡수 재료를 제공하면, 빌딩(31)의 벽 두께가 감소될 수 있어서 유리할 수 있다. 그러나 방사선 흡수 재료를 벽에 추가하면 빌딩(31)을 건축하는 비용이 증가될 수 있다. 방사선을 흡수하기 위하여 빌딩(31)의 벽에 추가될 수 있는 상대적으로 저렴한 재료는, 예를 들어 흙의 층일 수 있다.

이에 더해서, 방사선 차폐 특성을 가지는 빌딩(31)의 벽을 제공할 수 있다. 또한, 빌딩(31)은 자유 전자 레이저(FEL)에 의해 생성된 방사선이 빌딩(31) 아래의 지하수를 오염시키는 것을 방지하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 빌딩(31)의 지하실 및/또는 기초에는 방사선 차폐 재료가 제공될 수 있고, 또는 방사선이 빌딩(31) 아래의 지하수를 오염시키는 것을 방지할 만큼 충분히 두꺼울 수도 있다. 일 실시예에서, 빌딩(31)은 적어도 부분적으로 지하에 위치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 지하수는 빌딩(31)의 외부 및 빌딩(31)의 아래의 일부를 둘러쌀 수 있다. 그러므로, 방사선이 빌딩(31)을 둘러싸는 지하수를 오염하는 것을 방지하기 위하여, 방사선 쉴딩이 빌딩(31)의 외부에 제공될 수 있다.

빌딩(31)의 외부에서 방사선을 차폐하는 것에 추가적으로 또는 그 대신에, 방사선 쉴딩이 빌딩(31)의 내부에도 역시 제공될 수 있다. 예를 들어, 방사선 쉴딩은 큰 방사선량을 방출하는 자유 전자 레이저(FEL)의 부분에 근접한 위치에서 빌딩(31) 내에 제공될 수 있다.

빌딩(31)은 폭 W 및 길이 L을 가진다. 빌딩(31)의 폭 W 및 길이 L은 전자 빔(E)이 자유 전자 레이저(FEL)를 통과하여 추종하는 루프(32)의 크기에 의해 부분적으로 결정된다. 루프(32)는 길이(33) 및 너비(35)를 가진다.

루프(32)의 길이(33)는 선형 가속기(22)의 길이 및 언듈레이터(24)의 길이에 의해 결정된다. 선형 가속기(22)의 주어진 길이는, 예를 들어 전자들이 언듈레이터(24) 내에서 EUV 방사선을 방출하도록 충분히 높은 에너지로 전자 빔(E)을 가속시키기 위하여 필요할 수 있다. 예를 들어, 선형 가속기(22)는 약 40 미터보다 긴 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 선형 가속기(22)는 약 80 미터 이하의 길이를 가질 수 있다. 추가적으로, 언듈레이터(24)의 주어진 길이는 언듈레이터(24) 내에서의 코히어런트 방사선의 방출을 자극하기 위하여 필요할 수도 있다. 예를 들어, 언듈레이터(24)는 약 40m보다 긴 길이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 언듈레이터(24)는 약 60 미터 이하의 길이를 가질 수 있다.

루프의 폭은 조향 유닛(23)이 전자 빔(E)의 궤적을 조절하는 곡률 반경에 의해 결정된다. 조향 유닛(23) 내에서의 전자 빔(E)의 곡률 반경은, 예를 들어 전자 빔(E) 내의 전자의 속도 및 조향 유닛(23) 내에 생성되는 자기장의 세기에 따라 달라질 수 있다. 조향 유닛(23)에서 생성되는 자기장의 세기가 증가하면, 전자 빔(E)의 곡률 반경이 감소될 것인 반면에, 전자의 속도가 증가하면 전자 빔(E)의 곡률 반경이 증가될 것이다. 조향 유닛(23)을 통과하는 전자 빔(E)의 곡률 반경은, 예를 들어 약 12m일 수 있다. 일부 실시예들에서, 조향 유닛(23)을 통과하는 전자 빔(E)의 곡률 반경은 12m 미만일 수도 있다. 예를 들어, 조향 유닛(23)을 통과하는 전자 빔(E)의 곡률 반경은 약 7m일 수 있다.

전자 빔(E)이 자유 전자 레이저(FEL)를 통과하면서 따라가는 루프(32)는 60 미터보다 긴 길이(33)를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 루프(32)는 약 120 미터 이하의 길이(33)를 가질 수 있다. 루프(32)는 약 12 미터보다 큰 폭(35)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 루프(32)는 약 25 미터 이하의 폭(35)을 가질 수 있다.

빌딩(31)은 다른 컴포넌트들도 역시 수용할 수 있다. 예를 들어, 전력을, 예를 들어 언듈레이터(24), 조향 유닛(23, 25) 및/또는 자유 전자 레이저(FEL)의 다른 컴포넌트로 공급하는 전기적 컴포넌트를 포함하는 전기적 캐비넷(37)이 빌딩(31) 내에 수용될 수 있다. 전기적 캐비넷(37)을 도 3 에 도시되는 바와 같이 언듈레이터(24)에 가깝게 제공하는 것이 유익할 수 있다. 그러나, 전기적 캐비넷(37)은 자유 전자 레이저(FEL)의 컴포넌트들에 대해 다른 위치에 위치될 수도 있다.

추가적으로, 자유 전자 레이저(FEL)의 컴포넌트에 극저온 냉각을 제공하도록 구성되는 장치를 포함하는 극저온 냉각 캐비넷(39)이 빌딩(31) 내에 수용될 수 있다. 예를 들어, 극저온 냉각은 선형 가속기(22)에 제공될 수 있고, 선형 가속기(22)의 초전도 캐비티를 냉각시킬 수 있다. 선형 가속기(22)에 매우 근접하게 극저온 냉각 캐비넷(39)을 제공하는 것이 유익할 수 있다. 그러면 극저온 냉각 캐비넷(39)과 선형 가속기(22) 사이에서의 에너지 손실을 감소시킬 수 있다.

전기적 캐비넷(37) 및 극저온 냉각 캐비넷(39)을 전자 빔(E)이 자유 전자 레이저(FEL)를 통과하면서 추종하는 루프(32)(도 3 에 도시되는 것과 같음)의 외부에 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 캐비넷(37, 39)을 이러한 루프(32) 외부에 제공하면, 예를 들어 캐비넷(37, 39) 내에 수용된 컴포넌트들을 모니터링, 제어, 유지 및/또는 보수하기 위해 캐비넷에 쉽게 접근할 수 있다. 도 3 으로부터 이해되는 바와 같이, 캐비넷(37, 39)을 루프(32) 외부에 위치시키면 자유 전자 레이저(FEL)의 컴포넌트를 빌딩(31) 내에 수용하기 위하여 요구되는 빌딩(31)의 최소 폭 W가 증가될 수 있다. 또한, 빌딩(31)은 도 3 에는 도시되지 않고 빌딩(31)의 치수를 결정할 수 있는 다른 컴포넌트를 수용할 수 있다.

도 3 에 도시되는 바와 같이, 벽(47)은 자유 전자 레이저(FEL)를 통해 전자 빔이 추종하는 루프(32)와 전기적 캐비넷(37) 사이에 위치된다. 또한, 벽(47)은 루프(32)와 극저온 냉각 캐비넷(39) 사이에도 위치된다. 벽(47)은 자유 전자 레이저(FEL) 내의 전자 빔(E)에 의해 생성되는 전기적 캐비넷(37) 및 극저온 캐비넷(39)을 차폐할 수 있다. 그러면 캐비넷(37, 39) 내의 컴포넌트가 방사선에 의해 손상되지 않도록 보호하고, 유지보수 인력이 자유 전자 레이저(FEL)가 동작하는 동안 위험 수준의 방사선에 노출되지 않으면서 캐비넷(37, 39)에 접근하게 할 수 있다.

도 3 에서 묘사되는 실시예에서, 캐비넷(37, 39)은, 벽(47)에 의해 루프(32)로부터 차폐되는 동안 전자 빔이 자유 전자 레이저(FEL)를 통해 추종하는 루프(32)와 같은 빌딩(31) 내에 수용되는 것으로 도시된다. 캐비넷(39) 내에 수용되는 극저온 냉각 컴포넌트는 자유 전자 레이저(FEL)의 컴포넌트로 전달될 수 있고 진동에 민감한 자유 전자 레이저(FEL)의 컴포넌트에 불리하게 영향을 미칠 수 있는 진동을 생성할 수 있다. 극저온 냉각 컴포넌트에 의해 생성된 진동이 자유 전자 레이저의 민감한 부분으로 전달되는 것을 방지하기 위하여, 극저온 냉각 캐비넷(39)이 수용되는 빌딩(31)의 부분은 민감한 컴포넌트들이 수용되는 빌딩의 부분으로부터 기계적으로 격리될 수 있다. 예를 들어, 극저온 냉각 캐비넷(39)은 선형 가속기(22), 조향 유닛(23) 및 언듈레이터(24)로부터 기계적으로 격리될 수 있다. 기계적 격리를 제공하기 위하여, 극저온 냉각 캐비넷(39)이 수용되는 빌딩(31)의 부분은, 예를 들어 선형 가속기(22), 조향 유닛(23) 및 언듈레이터(24)가 수용되는 빌딩의 부분에 별개의 기초를 가질 수 있다.

또는, 극저온 냉각 캐비넷(39) 및/또는 전기적 캐비넷(37)은 빌딩(31)으로부터 분리된 하나 이상의 빌딩에 수용될 수 있다. 그러면, 캐비넷(37, 39)이 전자 빔(E)에 의해 생성된 방사선으로부터 차폐되고, 자유 전자 레이저(FEL)의 민감한 컴포넌트들이 극저온 냉각 캐비넷(39)으로부터 기계적으로 고립되게 보장될 수 있다.

리소그래피 시스템(LS)은 단일 자유 전자 레이저(FEL)를 포함할 수 있다. 자유 전자 레이저(FEL)는 분기 방사선 빔을 복수 개의 리소그래피 장치로 제공하는 빔 분할 장치(20)로 EUV 방사선 빔을 공급할 수 있다. 방사원(SO)은 자유 전자 레이저(FEL)로부터 출력된 방사선 빔(B')을 리소그래피 시스템(LS)의 빔 스플리터(20)로 지향하도록 구성되는 전용 광학적 컴포넌트를 포함하는 광학계를 포함할 수 있다. EUV 방사선이 일반적으로 모든 물질에 잘 흡수되기 때문에, 일반적으로 반사성 광학 컴포넌트(투과성 컴포넌트가 아니라)가 손실을 최소화하기 위하여 사용된다. 광학계의 전용 광학 컴포넌트는 자유 전자 레이저(FEL)에 의하여 생성된 방사선 빔의 속성을, 이것이 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)의 조명 시스템(IL) 및/또는 마스크 검사 장치에 의하여 수용되기에 적합하도록 적응시킬 수 있다.

또는, 방사원(SO)은 방사원(SO)의 일부를 역시 형성하는 광학계로 EUV 방사선 빔을 각각 제공할 수 있는 복수 개의 자유 전자 레이저(예를 들어 두 개의 자유 전자 레이저)를 포함할 수 있다. 광학계는 복수 개의 자유 전자 레이저 각각으로부터 방사선 빔을 수광할 수 있고, 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)을 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)로 제공하기 위하여 빔 분할 장치(20)로 제공되는 복합 방사선 빔으로 방사선 빔들을 결합할 수 있다.

도 4 는 제 1 자유 전자 레이저(FEL') 및 제 2 자유 전자 레이저(FEL")를 포함하는 방사원(SO)을 포함하는 리소그래피 시스템(LS)의 개략도이다. 제 1 자유 전자 레이저(FEL')은 제 1 EUV 방사선 빔(B')을 출력하고 제 2 자유 전자 레이저(FEL")는 제 2 EUV 방사선 빔(B")을 출력한다. 제 1 자유 전자 레이저(FEL')은 제 1 빌딩(31') 내에 수용된다. 제 2 자유 전자 레이저(FEL")은 제 2 빌딩(31") 내에 수용된다.

제 1 및 제 2 방사선 빔(B', B")은 광학계(40)에 의해 수광된다. 광학계(40)는 제 1 방사선 빔(B') 및 제 2 방사선 빔(B")을 수광하고 메인 방사선 빔(B)을 출력하도록 구성되는 복수 개의 광학 요소(예를 들어 미러)를 포함한다. 제 1 및 제 2 자유 전자 레이저 양자 모두가 동작하고 있을 때, 메인 방사선 빔(B)은 제 1 및 제 2 방사선 빔(B', B") 양자 모두로부터의 방사선을 포함하는 복합 방사선 빔이다. 복합 방사선 빔(B)은, 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)을 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)로 제공하는 빔 분할 장치(20)로 제공된다.

두 개의 자유 전자 레이저가 방사선 빔(B', B")을 제공하여 메인 방사선 빔(B)을 형성하도록 배치되는 도 4 의 구성은, 방사선이 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)로 연속적으로 제공되는 동안 자유 전자 레이저 중 하나가 턴오프되게 할 수 있다. 예를 들어, 자유 전자 레이저 중 하나는, 예를 들어 자유 전자 레이저가 보수되거나 유지보수를 거치게 하기 위하여, 동작 상태로부터 벗어날 수 있다. 이러한 경우에, 다른 자유 전자 레이저는 광학계(40)에 의해 수광되는 방사선 빔을 계속하여 제공할 수 있다. 자유 전자 레이저 중 하나만이 광학계(40)로 방사선을 제공하는 경우, 광학계(40)는 광학계(40)로 방사선을 제공하는 자유 전자 레이저로부터의 방사선을 포함하는 메인 방사선 빔(B)을 형성하도록 동작가능하다. 그러면, 자유 전자 레이저 중 하나가 동작 상태에서 벗어난 경우에도 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)가 연속으로 동작할 수 있다.

도 5 는 방사선의 빔(B', B")을 자유 전자 레이저(FEL', FEL")의 각각으로부터 수광하고 출력 방사선 빔(B)을 출력하도록 구성되는, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계(40)의 일 실시예의 개략도이다.광학계(40)에 의해 출력되는 방사선 빔(B)은 빔 분할 장치(20)(도 1 을 참조한다)에 의해 수광된다.

광학계(40)는 4 개의 광학 요소를 포함한다: 제 1 및 제 2 광학 요소(132, 134)는 자유 전자 레이저 중 첫 번째 것(FEL')과 연관되고; 제 1 및 제 2 광학 요소(136, 138)는 자유 전자 레이저 중 두 번째 것(FEL")과 연관된다. 광학 요소(132, 134, 136, 138)는 자유 전자 레이저(FEL', FEL")로부터의 방사선 빔(B', B")의 단면의 크기와 형상을 변경하도록 구현된다.

특히, 제 1 광학 요소(132, 136)는 볼록 미러이고, 이들은 자유 전자 레이저(FEL', FEL")로부터의 방사선 빔(B', B")의 단면적을 증가시키는 역할을 한다. 도 5 에서 제 1 광학 요소(132, 136)는 x-y 평면에서 실질적으로 평평한 것으로 보이지만, 이들은 이러한 평면 및 z 방향 모두에서 볼록일 수 있다. 제 1 광학 요소(132, 136)가 볼록이기 때문에, 이들은 EUV 방사선 빔(B', B")의 발산을 증가시킬 것이고, 따라서 그들 하류의 미러에 가해지는 열부하를 감소시킬 것이다. 그러므로, 제 1 광요소(132)는 제 1 자유 전자 레이저(FEL')로부터 수광된 방사선 빔(B')의 단면적을 증가시키도록 구현되는 발산 광요소이다. 제 1 광요소(136)는 제 2 자유 전자 레이저(FEL)로부터 수광된 방사선 빔(B")의 단면적을 증가시키도록 구현되는 발산 광요소이다. 이것은 빔 하류에 있는 미러가, 냉각이 덜 필요하고 따라서 비용이 저렴하면서 더 낮은 사양을 가지게 할 수 있다. 이에 추가하거나 그 대신에, 이것은 하류 미러가 수직 입사에 더 가까이 있도록 할 수도 있다. 실제로, 방사원(SO)에 의해 출력된 방사선 빔(B)은 빔(B)의 경로에 직렬로 배치된 복수 개의 연속, 정적, 나이프(knife) 에지 미러에 의해 분할될 수 있다. 빔(B)의 크기를 증가시키면(예를 들어 제 1 광학 요소(132, 136)로소 볼록 미러를 사용함으로써), 빔(B) 경로 내에 미러가 위치돼야 하는 정확도가 감소된다. 그러므로, 이것은 분할 장치(20)에 의한 출력 빔(B)의 더 정확한 분할을 가능하게 한다.

제 2 광학 요소(134, 138)는 오목형이고 제 1 광학 요소의 형상과 형상이 상보적이어서, 제 2 광학 요소(134, 138)를 벗어나는 빔들이 실질적으로 제로 발산을 가지게 한다. 그러므로, 제 2 광학 요소(134, 138)의 하류에서 빔들은 실질적으로 시준된다. 다시 말하건대, 도 5 에서 제 1 광학 요소(134, 138)가 x-y 평면에서 실질적으로 평평한 것으로 보이지만, 이들은 이러한 평면 및 z 방향 모두에서 사실상 볼록이다.

빔 분할 장치(20)에 의해 수광되는 출력 빔(B)이 자유 전자 레이저(FEL', FEL")에 의해 출력되는 것과 상이한 형상 및/또는 세기 분포를 가지는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 빔 분할 장치(20) 내의 연속 나이프 에지 추출 미러에 대해서는 원형 빔 보다 직사각형 형상이 바람직할 수 있다. 그러므로, 방사선 빔(B', B")의 단면적을 증가시키는 것에 추가하여, 광학 요소(132, 134, 136, 138)는 방사선 빔(B', B")의 단면 형상을 변경하는 역할을 할 수 있다. 특히, 광학 요소(132, 134, 136, 138)는 난시형(astigmatic) 또는 비구면일 수 있고, 제 2 광학 요소(134, 138)를 벗어나는 방사선 빔(B', B")이 형상에 있어서 자유 전자 레이저(FEL', FEL")에 의해 생성된 방사선 빔(B', B") 보다 더 사각형이 되도록 보장하도록 성형될 수 있다. 예를 들어, 광학 요소는, 제 2 광학 요소(134, 138)를 벗어나는 빔(B', B")이 일반적으로 직사각형이지만 둥근 모서리를 가지도록 성형될 수 있지만, 다른 형상들도 역시 가능하다. 이러한 직사각형 형상의 두 치수들은, 예를 들어 x-y 평면 및 z 방향에서와 같은 두 개의 수직 방향에서의 광학 요소의 곡률 반경과 관련될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 경우 출력 방사선 빔(B)이 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)에 진입하기 전에 분기 방사선 빔(B₁-B₂₀)(도 1 을 참조한다)으로 분할하기 위하여 사용되는 미러들은 동일하거나 적어도 매우 유사하게 된다. 그러면 제조 관점에서 특히 유리하다.

자유 전자 레이저(FEL', FEL") 양자 모두가 온인 경우, 광학계(40)는 그들의 방사선 빔(B', B")을 결합하여 복합 방사선 빔(B)을 형성하도록 동작가능하다. 이러한 실시예에서, 이러한 결과는 제 2 광학 요소(134, 138)를 벗어나는 빔(B', B")이 양자 모두 서로 인접하거나 상호 평행하게 되도록, 제 1 자유 전자 레이저(FEL')의 제 1 및 제 2 광학 요소(132, 134)를 제 2 자유 전자 레이저(FEL")의 광학 요소(136, 138)로부터 x-방향에서 오프셋함으로써 달성된다. 특히, 제 1 자유 전자 레이저(FEL')의 제 1 및 제 2 광학 요소(132, 134)는 제 2 자유 전자 레이저(FEL")의 광학 요소(136, 138)의 "다운스트림"에(레이저 빔(B', B")의 전파 방향에 대해) 배치된다.

이러한 구성에서, 광학계(40)는 두 개의 방사선 빔(B', B")을 결합하여 복합 방사선 빔을 형성하도록 동작가능하다. 복합 빔은 광학계(40)에 의해 출력되는 출력 방사선 빔(B) 이다. 도 5 는 단지 예일 뿐이고, 광학계(40)가 도 5 에 도시된 바와 달리 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

다시 도 4 를 참조하면, 빌딩(31', 31")은 동작 자유 전자 레이저에 의해 생성된 방사선(방사선 빔(B', B")과 다른 방사선)이 빌딩(31', 31") 밖으로 전파하는 것을 실질적으로 방지하도록 구성된다. 그러므로 분리된 빌딩들 내에 제 1 및 제 2 자유 전자 레이저를 수용하면, 다른 자유 전자 레이저들이 계속 동작하는 동안 자유 전자 레이저들 하나에 유지보수 및/또는 보수가 안전하게 수행될 수 있다. 예를 들어, 제 1 자유 전자 레이저(FEL')가 보고되게 하거나 유지보수를 거치도록 제 1 전자 레이저(FEL')가 동작 상태에서 벗어날 수 있다. 그 동안 제 2 자유 전자 레이저(FEL")는 방사선을 광학계(40) 및 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀)로 제공하기 위해 계속하여 동작할 수 있다. 그러므로, 방사선은 제 2 자유 전자 레이저(FEL")의 동작에 기인하여 제 2 빌딩(31") 내에서 생성될 것이다. 그러나 위험한 레벨의 방사선은 제 2 빌딩(31")을 벗어나지 않고 제 2 빌딩(31")의 벽에 의해 제공되는 방사선 차폐 때문에 제 1 빌딩(31')에 진입하지 않는다. 그러므로, 제 1 자유 전자 레이저(FEL')를 유지보수하기 위해 유지보수 인력이 안전하게 제 1 빌딩에 진입할 수 있다.

이온들의 구름에 의한 포커싱이 다발 속성을 저하시킬 수 있고 언듈레이터 내에서의 변환 효율을 감소시키기 때문에, 전자 빔으로부터 이러한 이온이 없게 하기 위하여, 클리어링 갭이 전자 다발의 시퀀스 내에 제공되는 멀티-LINAC, 멀티-패스 FEL 방사원이 제공된다는 것이 실시예들의 특징이다. 조율된 클리어링 갭이 제공되는 일 실시예에 따른 2-패스 FEL 레이저를 설명하기 이전에, 단일 패스 FEL 방사원의 추가적인 예가 도 6 을 참조하여 간단히 설명된다.

도 6 의 단일 패스 FEL 방사원은 도 3 의 방사원과 유사하고, 주입기(221)의 형태인 전자원, 주입기(221)로부터의 전자 다발들을 전자 다발 스트림으로 병합하기 위한 병합기 컴포넌트(219), 일련의 LINAC 모듈을 포함하는 LINAC(222), 언듈레이터(224), 및 감속된 전자 다발을 추출하고 이들을 빔 덤프(226)를 향해 지향시키기 위한 역병합기 컴포넌트(225)를 포함한다. 방사원은, 주입기(221)로부터 그들이 가속되는 LINAC(222)을 통해, 언듈레이터(224)를 통해, 다시 그들이 감소되는 LINAC(222)을 통해, 그리고 덤프(226)로 유도하는 전자 다발 경로(227)를 따라 전자 다발을 지향하도록 동작가능한, 도 6 에는 도시되지 않는 조향 유닛을 더 포함한다.

도 6 의 단일 패스 FEL 방사원(220)의 컴포넌트들 각각은 도 3 의 방사원의 대응하는 컴포넌트와 유사하거나 동일하고, 양자 모두의 방사원은 유사한 방식으로 동작한다.

FEL 방사원(220)의 동작 시에, 각각의 전자 다발은 가속 페이즈 중에 LINAC(222)를 한 번, 그리고 감속 페이즈 중에 한번 통과하고, 그러므로 FEL 방사원은 단일 패스 FEL 방사원이라고 불릴 수 있다.

이러한 경우에, 가속 페이즈 중에 전자 다발의 에너지 증가가 주로 전자 다발이 LINAC을 통과하는 중에 발생한다는 것이 이해될 것이지만, 전자 다발의 가속 페이즈는 전자 다발이 처음으로 LINAC(222)의 입구로부터 전자 다발이 언듈레이터(224)에 진입할 때까지 통과하는 것을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 이러한 경우에, 감속 페이즈 중에 전자 다발의 에너지 감소가 주로 전자 다발이 LINAC(222)을 통과하는 중에 발생한다는 것이 이해될 것이지만, 전자 다발의 감속 페이즈는 언듈레이터(224)의 출구로부터 마지막으로 전자 다발이 LINAC(222)으로부터 빠져나올 때까지 전자 다발이 통과하는 것을 포함하는 것으로 간주될 수 있다.

소스에 의한 전자 다발의 생성이 전자 다발들 사이에 주기적인 더 긴 갭을 포함하도록 제어된다는 것이 도 6 의 방사원의 특징이고, 이러한 주기적으로 더 긴 갭도 역시 클리어링 갭이라고 불릴 수 있다. 클리어링 갭이 없는 경우의 전자 다발은 주기적으로 이격되고, 주기는 클리어링 갭 기간의 주기보다 더 적다.

도 6 의 방사원(220)은, 그들의 가속 페이즈에 있는 전자 다발들 사이의 각각의 클리어링 갭이, 그들의 감속 페이즈에 있는 전자 다발들 사이의 클리어링 갭과 동시에 LINAC(222)을 통과함으로써, 클리어링 갭의 존재가 LINAC(222)의 에너지 복구 동작을 크기 저해하지 않게끔, 동작하도록 구성될 수 있다. 도 6 의 방사원과 같은 단일 패스 FEL 방사원의 경우, LINAC(222)에서 클리어링 갭을 중첩시키려면, 클리어링 갭이 정규 레이트로 제공되고 클리어링 갭의 반복률이 실질적으로 N/t와 같을 것을 요구하면 충분한데, 여기에서 N은 정수이고, t는 전자가 단일 루프(예를 들어 병합기 컴포넌트(219)로부터 다시 병합기 컴포넌트(219)까지)를 이동하기 위한 시간이며, t=L/c이고, 여기에서 L은 루프의 길이이고 c는 광속과 가까운 전자 다발의 평균 속도이다.

단일-패스 구성이 아니라 2-패스 구성으로 돌아가면, 일 실시예에 따른 2-패스 FEL 방사원(240)이 도 7 에 개략적으로 도시된다.

도 7 의 2-패스, 분할 가속도 FEL 방사원(240)은 주입기(241)의 형태인 전자원, 주입기(241)로부터의 전자 다발들을 전자 다발 스트림으로 병합하기 위한 병합기 컴포넌트(239), 일련의 LINAC 모듈을 각각 포함하는 LINAC(242a, 242b)의 쌍, 언듈레이터(244), 및 감속된 전자 다발을 추출하고 이들을 빔 덤프(246)를 향해 지향시키기 위한 역병합기 컴포넌트(245)를 포함한다. 방사원은 전자 다발을 전자 다발 경로(247)를 따라 지향시키도록 동작가능한, 도 6 에는 도시되지 않는 조향 유닛을 더 포함한다.

도 7 의 단일 패스 FEL 방사원(240)의 컴포넌트의 각각은 도 3 또는 도 6 의 FEL 방사원의 대응하는 컴포넌트와 유사하거나 동일하다. 방사원(242)은, LINAC(242a, 242b)의 각각에 대하여, 가속하고 감속하는 전자 다발이 실질적으로 동시이지만 무선 주파수 필드에 대해 180 도 이위상으로 LINAC을 통과하여, 에너지가 가속 및 감속 다발들 사이에서 효과적으로 교환되고 LINAC이 에너지 복구 LINAC으로 동작하게 하는 방식으로, 동작하도록 구성된다.

FEL 방사원(240)의 동작 시에, 각각의 전자 다발은 배 가속 페이즈 중에 두 번 그리고 감속 페이즈 중에 두 번 LINAC(242a, 242b)의 각각을 통과하며, 따라서 FEL 방사원은 2-패스 FEL 방사원이라고 불릴 수 있다.

이러한 경우에, 가속 페이즈 중에 전자 다발의 에너지 증가가 주로 전자 다발이 LINAC(242a, 242b)을 통과하는 중에 발생한다는 것이 이해될 것이지만, 전자 다발의 가속 페이즈는 전자 다발이 처음으로 LINAC(242a)의 입구로부터 전자 다발이 언듈레이터(244)에 진입할 때까지 통과하는 것을 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 이러한 경우에, 감속 페이즈 중에 전자 다발의 에너지 감소가 주로 전자 다발이 LINAC(242a, 242b)을 통과하는 중에 발생한다는 것이 이해될 것이지만, 전자 다발의 감속 페이즈는 언듈레이터(244)의 출구로부터 마지막으로 전자 다발이 LINAC(244a)으로부터 빠져나올 때까지 전자 다발이 통과하는 것을 포함하는 것으로 간주될 수 있다.

전자 다발 경로(247)는 도 7 에 개략적으로 도시되고, 주입기(241)를 벗어나는 전자 다발에 대한전자 다발 경로(247) 상의 특정한 순차적인 포인트가 참조 번호 a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7, a8 로 표시된다. 포인트 a1 내지 a8 을 통해 도 7 의 경로(247)를 따라가면 이해될 수 있는 바와 같이, 전자 다발은 포인트 a1으로부터 a8 까지 통과하고, 또한 LINAC(242a, 242b) 및 언듈레이터(244)를 통과한다. 도 7 로부터 알 수 있는 바와 같이, 전자 다발 경로는 각각의 전자 다발이 동일한 포인트를 한 번 이상 통과하도록 다수 개의 루프를 포함한다.

도 7 의 장치를 전자 다발이 순차적으로 통과하는 것은, 처음으로 제 1 LINAC(242a)의 입구를 표시하는 포인트 A로부터 마지막으로 제 1 LINAC(242a)의 출구를 표시하는 포인트 J까지 전자 다발이 통과하는 것을 나타내는 도 8 을 참조해서도 이해될 수 있다. 전자 다발이 포인트 A로부터 포인트 I(언듈레이터(244)의 입구)까지 통과하는 것이 전자 다발에 대한 가속 페이즈라고 지칭될 수 있고, 전자 다발이 포인트 J(언듈레이터의 출구)로부터 포인트 R까지 통과하는 것이 전자 다발에 대한 감속 페이즈라고 지칭될 수 있다.

클리어링 갭이 전자 다발 시퀀스에 제공된다는 것, 그리고 클리어링 갭의 타이밍이, 동작 시에 복수 개의 LINACS(242a, 242b)의 각각에 대하여, 그들의 가속 페이즈에 있는 주위(surrounding) 전자 다발을 가지는 다발 시퀀스 내의 클리어링 갭 및 감속 페이즈에 있는 주위 전자 다발을 가지는 다발 시퀀스 내의 다른 클리어링 갭이 LINAC을 통과하는 동안 조율된다는 것이, 도 7 의 실시예의 특징이다. 전자 다발은 주기적 시퀀스 내에서 제공될 수 있고, 클리어링 갭은 어떤 경우에 주기적 시퀀스로부터의 누락 다발을 나타내는 것으로 간주될 수 있다. 각각의 전자 다발은 전자원이 펄스형 레이저의 플래시에 의해 조명될 때의 전자원의 광음극으로부터 추출된다. 클리어링 갭 또는 누락 다발은 레이저 조명을 일시적으로 억제시켜 전자 빔을 인터럽트함으로써 획득될 수 있다. 예를 들어, 이것은 편광 필터와 조합하여 레이저의 편광을 회전시키는 하나 또는 여러 개의 포켈스 셀에 의해, 및/또는 레이저의 증폭을 적절히 작동시킴으로써 이루어질 수 있다. 실제로, 누락 다발은 많은 실시예에서와 같이 일부 전자를 여전히 포함할 수 있고, 사용되는 광학적 및 전기적 컴포넌트를 사용해서는 연속하는 다발들 사이에서 시간 내에 풀 전하 다발로부터 정확하게 제로 전하 상태로 스위칭하는 것은 가능하지 않다. 그러므로, 클리어링 갭 또는 누락 다발은 이온 클리어링을 허용하기에 충분하도록 시퀀스의 정상 다발과 비교해서 전하가 감소된 다발일 수 있다.

도 7 의 실시예는, 각각의 회수마다 클리어링 갭 중 하나(해당 갭의 주위 다발에 대한 가속 또는 감속 페이즈 중 하나에 있음)가 LINAC 내에 존재하고, 대응하는 클리어링 갭(갭의 주위 다발에 대한 가속 또는 감속 페이즈 중 다른 것에 있음)도 역시 LINAC 내에 존재하며, 대응하는 가속 또는 감속 전자 다발들(예를 들어 클리어링 갭의 경계를 규정하는, 적어도 즉시 선행 및 후행하는 전자 다발들)을 이위상으로 유지하여, 이를 통하여 클리어링 갭이 존재하더라도 최소의 전기장 구배 변동을 가지고 LINAC의 에너지 복구 동작을 유지하게끔 클리어링 갭들이 조율되도록, 동작하도록 구성된다. 클리어링 갭들은 그들이 LINAC을 통과하는 동안 전체적으로 또는 부분적으로 중첩할 수 있다.

예컨대 도 7 의 언듈레이터를 가지는, 2-패스 에너지 복구 LINAC 시스템에 대해 적합한 조율된 클리어링 갭 시퀀스는 복잡하다. 실시예에 따른 도 7 의 장치의 동작 모드에 대한 적합한 클리어링 갭 시퀀스들이 이제 도 8 내지 도 18 을 참조하여 설명된다.

도 8 내지 도 11 을 참조하여 설명된 제 1 동작 모드에서, 두 개의 또는 3 개의 클리어링 갭이 임의의 회수에서 포인트 A와 포인트 J 사이의 전자 다발 경로를 따르는 포인트들에서, 장치(240) 내에 존재한다. 도 8 은 그 감속 페이즈의 끝에서 제 1 LINAC(242a) 내에 존재하는 클리어링 갭(250) 및, 그 가속 페이즈의 시작에서 제 1 LINAC(242a) 내에 역시 존재하는 클리어링 갭(252), 및 언듈레이터(244) 내에 동시에 존재하는 그 외의 클리어링 갭(254)을 보여준다. 클리어링 갭이 가속 페이즈에 있다는 것은, 주위 전자 다발 중 적어도 하나가 가속 페이즈에 있는 클리어링 갭을 가리키는 것으로 이해될 수 있고, 이와 유사하게, 클리어링 갭이 감속 페이즈에 있다는 것은, 주위 전자 다발 중 적어도 하나가 감속 페이즈에 있는 클리어링 갭을 가리키는 것으로 이해될 수 있다.

도 9 내지 도 11 은 나중 시점에서 전자 다발 경로(257) 상의 그들의 각각의 동시 위치에 있는 각각의 클리어링 갭(252, 254)들을 나타낸다. 클리어링 갭 중 하나(252)가 LINAC(242a, 242b) 중 하나를 통과할 때마다, 클리어링 갭 중 다른 것(254)이 해당 LINAC 내에 동시에 존재한다는 것을 알 수 있다.

도 8 내지 도 11(척도에 맞는 것은 아님)에 예시된 클리어링 갭들의 조율을 제공하기 위한 클리어링 갭 시퀀스는, 다음 조건이 실질적으로 만족되도록 언듈레이터(244)를 포함하는 빔 경로(247) 내의 포인트 Z(예를 들어 하나의 경우에 대해 도 8 에 표시되는 것과 같은 포인트)가 존재한다면 제공된다:

ZK=BC

DE=LM

FG=NO

HZ=PQ

그리고 클리어링 갭이 AZ/c 마다 실질적으로 하나와 같은 정규 레이트로 공급된다면, 여기에서 c는 다발 경로를 따른 전자 다발의 평균 속도이고:-

A는 제 1 LINAC(242a)을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 전자 다발의 제 1 패스에 대한 제 1 LINAC(242a)의 입구이고;

B는 제 1 LINAC(242a)을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 전자 다발의 제 1 패스에 대한 제 1 LINAC(242a)의 출구이며;

C는 제 2 LINAC(242b)을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 전자 다발의 제 1 패스에 대한 제 2 LINAC(242b)의 입구이고;

D는 제 2 LINAC(242b)을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 전자 다발의 제 1 패스에 대한 제 2 LINAC(242b)의 출구이고;

E는 제 1 LINAC(242a)을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 전자 다발의 제 2 패스에 대한 제 1 LINAC(242a)의 입구이고;

F는 제 1 LINAC(242a)을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 전자 다발의 제 2 패스에 대한 제 1 LINAC(242a)의 출구이며;

G는 제 2 LINAC(242b)을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 전자 다발의 제 2 패스에 대한 제 2 LINAC(242b)의 입구이고;

H는 제 2 LINAC(242b)을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 전자 다발의 제 2 패스에 대한 제 2 LINAC(242b)의 출구이고;

I는 언듈레이터의 입구이고;

J는 언듈레이터의 출구이며;

K는 제 1 LINAC(242a)을 통과하는 전자 다발의 감속 페이즈에서의 전자 다발의 제 1 패스에 대한 제 2 LINAC(242b)의 입구이고;

L은 제 1 LINAC(242a)을 통과하는 전자 다발의 감속 페이즈에서의 전자 다발의 제 1 패스에 대한 제 2 LINAC(242b)의 출구이며;

M은 제 1 LINAC(242a)을 통과하는 전자 다발의 감속 페이즈에서의 전자 다발의 제 1 패스에 대한 제 1 LINAC(242a)의 입구이고;

N은 제 1 LINAC(242a)을 통과하는 전자 다발의 감속 페이즈에서의 전자 다발의 제 1 패스에 대한 제 1 LINAC(242a)의 출구이며;

O는 제 2 LINAC(242b)을 통과하는 전자 다발의 감속 페이즈에서의 전자 다발의 제 2 패스에 대한 제 2 LINAC(242b)의 입구이고;

P는 제 2 LINAC(242a)을 통과하는 전자 다발의 감속 페이즈에서의 전자 다발의 제 2 패스에 대한 제 2 LINAC(242b)의 출구이고;

Q는 제 1 LINAC(242a)을 통과하는 전자 다발의 감속 페이즈에서의 전자 다발의 제 2 패스에 대한 제 1 LINAC(242a)의 입구이고;

R은 제 1 LINAC(242a)을 통과하는 전자 다발의 가속 페이즈에서의 전자 다발의 제 2 패스에 대한 제 1 LINAC(242a)의 출구이며,

ZK는 전자 다발 경로를 따른 포인트 Z와 K 사이의 거리이고, BC는 전자 다발 경로를 따른 포인트 B와 C 사이의 거리 등이다.

이러한 경우에, 경로 동일성(예를 들어 ZK=BC)은, Z로부터 K까지의 그리고 B로부터 C까지의 전자 다발의 이동 시간들이 약 +/- ΔL/4 의 정확도 내에서 매칭된다는 것을 의미하는데, ΔL은 클리어링 갭 지속기간이다. 이러한 정확도가 있으면, 성능 지수(figure of merit)(이러한 편차의 공칭 시간 지속시간으로부터의 가속도 구배의 편차)는 비-조율된 클리어링 갭의 경우보다 약 10 배 더 작으며, 이것은 갭 지속기간이 500 ns 미만이라면 이러한 실시예에서는 충분하다. 동시에, 경로 길이들은 가속 및 감속 다발들의 위상차를 약 180 도로 보존하려면 정확해야 한다. 대안적인 실시예들에서, 조건들은 동일하지만 클리어링 갭들이 더 높은 레이트로 공급되는데, 갭의 반복률은 실질적으로 AZ/nc 마다 하나의 레이트와 같고, c는 다발 경로를 따른 전자 다발의 평균 속도이며, n은 정수이다.

제 1 동작 모드에 따른 클리어링 갭들의 조율을 제공하기 위해 앞에서 설정된 조건들이 정확하게 만족된다면, 실제로 사용되는 실제 컴포넌트의 공차 및 변동의 영향에 노출되면서, 매칭하는 가속 및 감속 페이즈에서의 클리어링 갭들은, 클리어링 갭들의 선행(및 후행) 전자 다발들이 그들이 LINAC을 통과하는 동안 무선 주파수 필드에 대하여 정확히 180 도 이위상이 되어, LINAC의 무선 주파수 캐비티에서의 전기장 구배의 변동을 최소화하고 LINAC의 최적의 에너지 복구 동작을 유지하도록, 조율된다.

조건들이 이로부터 편차를 가진다면, 가속 및 감속 페이즈에서의 매칭하는 클리어링 갭들은, 클리어링 갭들의 선행(및 후행) 전자 다발이 정확하게 180 도 이위상인 것으로부터 천이되게 할 수 있지만, 클리어링 갭이 아예 조율되지 않는 경우에 비하여 LINAC의 무선 주파수 캐비티 내의 전기장 구배의 변동은 여전히 감소될 수 있다.

포인트 A 내지 R 그리고 Z는 도 8 에만 표시되고 도 9 내지 도 16 에는 표시되지 않지만, 그러한 포인트들이 도 8 에 도시된 것과 동일한 위치에서 도 9 내지 도 16 에 존재한다는 것이 이해될 것이다.

도 12 내지 도 16 에서 개략적으로 도시된 제 2 동작 모드에서, 클리어링 갭은 도 8 내지 도 11 에 도시된 제 1 동작 모드에 대한 것보다 더 높은 반복률로 제공되고, 8개의 또는 9개의 클리어링 갭이 임의의 회수에서 포인트 A 내지 포인트 J 사이에서 전자 다발 경로를 따라 장치(240) 내에 존재한다.

도 12 내지 도 15 는 명확화를 위하여 클리어링 갭(260, 262) 중 하나의 쌍이 진행하는 것만을 보여주며, 다른 클리어링 갭(264)은 도 14 에서 시퀀스와 만난다. 제 1 동작 모드와 유사하게, 클리어링 갭 중 하나(260)가 LINAC(242a, 242b) 중 하나를 통과할 때마다, 클리어링 갭 중 다른 하나(262 또는 264)가 해당 LINAC 내에 동시에 존재한다는 것을 알 수 있다. 같은 내용이 제 2 동작 모드에 따른 전자 다발 경로를 따라서 동시에 존재하는 다른 쌍의 클리어링 갭(명확화를 위하여 도 12 내지 도 15 에는 미도시)에도 적용된다. 도 16 은 제 2 동작 모드에 대해서 시간 상 한 시점에서 전자 다발 경로를 따라 동시에 존재하는 모든 9개의 클리어링 갭을 보여준다.

도 12 내지 도 16 에 도시된 제 2 동작 모드에 따른 클리어링 갭의 조율을 제공하기 위한 클리어링 갭 시퀀스는, 다음 조건들이 실질적으로 만족되게 하는 포인트 Z가 언듈레이터(244)를 포함하는 빔 경로(247)에 존재한다면 제공된다:

AC=CE=EG=GZ=ZK=KM=MO=OQ

그리고 클리어링 갭들이 실질적으로 AC/c와 같은 정규 레이트에서 공급된다면. 어떤 경우에는 BC=NO 및 DE=PQ일 수도 있다. 이러한 경우에, 경로 동일성(예를 들어 AC=CE)은, A로부터 C까지의 그리고 C로부터 E까지의 전자 다발의 이동 시간들이 약 +/- ΔL/4 의 정확도 내에서 매칭된다는 것을 의미하는데, ΔL은 클리어링 갭 지속기간이다. 대안적인 실시예들에서, 조건들은 동일하지만 클리어링 갭들이 더 높은 레이트로 공급되는데, 갭의 반복률은 실질적으로 AC/nc 마다 하나의 레이트와 같고, c는 다발 경로를 따른 전자 다발의 평균 속도이며, n은 정수이다.

제 1 동작 모드의 경우에서와 같이, 제 2 동작 모드에 따른 클리어링 갭들의 조율을 제공하기 위해 앞에서 설정된 조건들이 정확하게 만족된다면, 실제로 사용되는 실제 컴포넌트의 공차 및 변동의 영향에 노출되면서, 매칭하는 가속 및 감속 페이즈에서의 클리어링 갭들은, 선행(및 후행) 전자 다발들이 그들이 LINAC을 통과하는 동안 무선 주파수 필드에 대하여 정확히 180 도 이위상이 되어, LINAC의 무선 주파수 캐비티에서의 전기장 구배의 변동을 최소화하고 LINAC의 최적의 에너지 복구 동작을 유지하도록, 조율된다.

제 3 동작 모드는 클리어링 갭(270, 272, 274, 276, 278)이 진행하는 것을 나타내는 도 17 및 도 18 에서 개략적으로 예시된다. 채워진 원은 가속하는 다발들 사이에 존재하는 클리어링 갭을 나타내고, 비어 있는 원은 감속하는 다발들 사이에 존재하는 클리어링 갭을 나타내며, 빗금 원은 가속되지도 감속되지도 않는 다발들 사이에 존재하는 클리어링 갭을 표시한다.

도 17 및 도 18 에 도시된 제 3 동작 모드에 따른 클리어링 갭의 조율을 제공하기 위한 클리어링 갭 시퀀스는, 다음 조건들이 실질적으로 만족되게 하는 포인트 Z가 언듈레이터(244)를 포함하는 빔 경로(247)에 존재한다면 제공된다:

AC=EG=ZK=MO; 및

CE=GZ=KM-OQ

그리고 다발 반복률이 AE/c 마다 하나이고, 여기에서 c는 전자 다발의 평균 속력이다. 이러한 경우에, 두 개의 경로에 대한 경로 동일성(예를 들어 AC = EG)은, 경로들 중 하나에 대한 전자 다발의 이동 시간(예를 들어 A로부터 C) 및 경로 중 다른 것(예를 들어)에 대한 이동 시간이 약 +/- ΔL/4 의 정확도로 동일하다는 것을 의미할 수 있고, 여기에서 ΔL은 클리어링 갭 지속기간이다. 대안적인 실시예들에서, 조건들은 동일하지만 클리어링 갭들이 더 높은 레이트로 공급되는데, 갭의 반복률은 실질적으로 AE/nc 마다 하나의 레이트와 같고, c는 다발 경로를 따른 전자 다발의 평균 속도이며, n은 정수이다.

각각의 설명된 동작 모드는, 예를 들어 두 배, 세 배, 및 클리어링 갭의 임의의 다른 적합한 정수 반복률에 의해 다수 배 함으로써 자유 전자 레이저 방사원 내에서 이동하는 더 많은 개수의 다발들로 확장될 수 있다. 또한, 언듈레이터를 포함하는 루프는 두 개 이상의 다발(전술된 바와 같음)을 포함할 수 있지만, 루프의 길이(제 2 LINAC의 시작으로부터 언듈레이터를 통해 다시 제 2 LINAC의 시작까지 측정됨)는 설명된 경우보다 N 배 더 길 것이고, 여기에서 N은 정수이다.

제 1, 제 2 및 제 3 동작 모드 각각은 제 1 및 제 2 LINAC의 LINAC 모듈 내에 클리어링 갭 중첩의 요구된 패턴을 제공한다. 이들 사이의 차이는 클리어링 갭의 반복률이고, 따라서 장치의 에너지 복구 LINAC 내에 동시에 존재하는 클리어링 갭의 개수이다.

상이한 레이트의 클리어링 갭 반복에 대한 이온 안정성의 연구에 따르면, 더 낮은 반복률이 유리할 수 있다는 것이 발견되었다(교번하는 부하에 응답하는 주입기(241)의 부스터 컴포넌트의 가속하는 구배 변동이 충분히 양호하게 보상될 수 있다고 가정하면). 이러한 관찰로부터, 클리어링 갭의 듀티 사이클이 같고 반복률이 낮으면 이온이 빔을 비워내야 하는(clear) 드리프트 시간이 증가한다는 이점이 이해될 수 있다.

가속 및 감속 페이즈에 있는 클리어링 갭이 도 7 의 장치의 에너지 복구 LINAC 내에 동시에 존재하게 하는 다른 클리어링 갭 시퀀스가 대안적인 실시예들에서 가능하다는 것이 이해될 것이다. 그러나, 도 8 내지 도 18 에 대해서 설명된 동작 모드의 클리어링 갭 시퀀스들은 적어도 일부의 다른 적합한 클리어링 갭 시퀀스보다 낮은 반복률을 가진다. 다른 시퀀스(언듈레이터(244)를 포함하는 루프 내에 이동하는 다발들의 개수가 더 많음)도 가능하지만, 최적은 아닐 수도 있다.

도 8 내지 도 16 에 대하여 전술된 동작 모드에 대한 조건들은 이미 진술되었다. 다른 동작 파라미터, 예를 들어 전자 다발의 길이 및 반복 주파수, 전자 다발의 에너지, 클리어링 갭의 길이가 그러한 조건들에 따라 변경될 수 있다.

도 7 및 도 8 내지 도 18 에 따른 일 실시예에서의 동작 모드에서, 평균 빔 전류는 수 십 밀리암페어이고, 및 언듈레이터에서의 빔 에너지는 수 백 MeV이다. 전자 다발의 반복률은 수 백 MHz이고, 수 십 kW의 전력이 언듈레이터에 의해 방출된 EUV 방사선 빔에서 전달된다. 이러한 실시예에서 LINAC은 ~ 1 GeV의 요구된 최종 에너지와 함께 약 5 내지 10 MV/m의 가속도를 제공하고, 이것은 약 100 m 내지 200 m의 가속도 길이가 얻어지게 하고, 이것은 이제 약 200 내지 400 m의 가속 더하기 감속 길이가 얻어지게 한다. LINAC들과 언듈레이터를 연결하는 호의 길이는 최소의 굽힘 반경(~10m, 코히어런트 싱크로트론 방사선 손실에 의해 제한됨)에 의해 규정되고, 따라서 굽힘의 전체 길이는 ~ 100 내지 200 m이다. 추가된 주입기 길이와 함께 언듈레이터 길이도 역시 ~100m이다. 따라서, 전자 다발 경로의 길이는 약 800 m이고, 이러한 경우의 최적의 클리어링 갭 반복 주기는 약 1 μs, 예를 들어 1.3 μs이며, 이것은 시스템 내에서 이동하는 3 개의 클리어링 갭의 경우에 대응한다(2*c*τ=800 m). 따라서, 최적 클리어링 갭 반복률은 이러한 경우에 약 1 MHz인데, 그 이유는 이것이 주어진 듀티 사이클에 대해 최장 클리어링 갭, 및 약 100ns의 최소값인 각각의 클리어링 갭의 길이에 대응하여 빔 패턴 지속기간의 적어도 10%에 달하는 클리어링 갭 듀티 사이클(예를 들어 클리어링 갭의 길이는 이러한 경우에 클리어링 갭 반복 주기의 적어도 10%임)을 제공하기 때문이다. 반복률이 약 1 MHz인 듀티 사이클(5% 내지 25%)이 이온 모션 안정성 시뮬레이션에 의해 전자 빔으로부터 이온을 제거하기 위해 가장 효율적인 것으로 밝혀졌다.

시뮬레이션은, 클리어링 갭들이 제공되지만 그들의 가속 및 감속 페이즈에서의 클리어링 갭들이 그들이 LINAC을 통과하는 동안 조율되지 않는(예를 들어 클리어링 갭들이 도 8 내지 도 18 과 관련하여 설명된 동작 모드에 따라 제공되지 않음)도 7 의 장치에 대해서 수행되었다. 이러한 비-매칭 클리어링 갭이 존재하면 LINAC 모듈 내에서의 전기장 구배에 변동이 생긴다. 약 5x10^-3 까지의 LINAC 모듈 내의 풀 구배의 상대 rms 진폭 변동이 EUV 파장 변동에 대한 사양으로부터 수락가능할 수도 있다는 것이 밝혀졌다(1 MHz 클리어링 갭 반복 주파수에 대하여, 약 100 ns의 클리어링 갭의 길이, 약 20 mA의 빔 전류 및 약 10 MV/m의 LINAC의 초전도 무선 주파수 캐비티에서의 전기장 구배).

일부 실시예들에서, 전자원과 연관되고 주입기의 부스터라고 불리는 추가적 LINAC(전자 다발 에너지를 ~10 MeV까지 키우고 이를 통해 해당 전자원으로부터 오직 하나의 빔만이 통과하는 가속기)이 존재한다는 것에 주의한다. 추가적 LINAC가 루프 내로 주입되기 이전에 전자 다발의 가속을 위해 사용되기 때문에, 전자 빔은 그 안에서 평형을 이룰 수 없다. 클리어링 갭을 적용하면, 최첨단 RF 증폭기에 의해 보상될 수 없는 상당한 구배 변동이 생길 것이다. 이러한 경우에 대한 변동 버짓(budget)은 엄격하다: 빔 라인의 분산 섹션 내의 부스터 이후에 원치않는 전자를 필터링 오프하는 것에 기인한 ~10^-4 의 상대 에너지 변동. 보통, 이러한 필터링의 에너지 수락은 ~ 1%이고, 전자 빔에는 공칭의 경우에 너무 많은 전자를 잃지 않고서 이러한 장치의 시준기를 통과하기 위한 여유(margin)가 필요하다. 따라서, 선택되는 클리어링 갭 패턴은 부스터 내의 구배 변동 및 여러 빔들이 함께 전파되는 에너지 복구 LINAC의 부분들에 대해 제로 전류 모멘트를 제공하기 위한 필요성에 의존한다.

도 19 는 도 7 의 실시예의 LINAC 모듈에 대한 시간의 함수로서의 LINAC 모듈 구배의 상대 rms진폭 변동의 그래프인데, 비-매칭 클리어링 갭이 약 8ns 이후에 LINAC 모듈에 도입되고, 갭 반복률은 1 MHz이다. 클리어링 갭 반복 주기의 10%와 같은 길이를 가지는 클리어링 갭에 대해서, LINAC 모듈 구배의 상대 rms 진폭 변동은 약 5x10^-4 의 수락가능한 레벨 내에 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 클리어링 갭 반복 주기에 대한 더 긴 클리어링 갭(20% 또는 30% 갭)의 경우, 전기장 구배의 변동은 받아들일 수 없을 정도로 높아진다는 것, 그리고 이것은 갭 반복 주기에 대한 갭 크기와 함께 거의 선형으로 척도변환된다는 것을 알 수 있다.

심지어 비-매칭 클리어링 갭이 일부 특정한 경우에서는 수락가능한 성능을 보일 수 있다는 것을 도 17 로부터 알 수 있지만, 클리어링 갭 길이가 클리어링 갭 반복 주기에 비해 충분히 짧게 유지된다면, LINAC(도 8 내지 도 16 을 참조하여 설명된 것들과 같음) 내에서의 클리어링 갭의 매칭을 제공하는 클리어링 갭 시퀀스를 사용하면 감소된 LINAC 전기장 구배 변동을 제공하여, 더 긴 클리어링 갭이 사용될 수 있게 할 수 있고, 다른 동작 파라미터가 변동할 수 있더라도 수락가능한 성능을 제공할 수 있다.

실제로, 전자 다발 시퀀스 내의 클리어링 갭은 전자 빔 경로의 다른 부분에 그리고 언듈레이터 내에, 예를 들어 전자 빔이 다른 부분에서보다 더 많이 집광되는 경로의 부분 내에도 이온이 없어지게 할 수 있다. 전자 빔이 더 많이 집광되고 이온 제거가 발생할 수 있는 경로의 부분은, 일부의 경우, 경로의 실질적으로 직선형 섹션, 예를 들어 하나 이상의 LINAC, 벤드(bend) 이전 또는 이후의 매칭 섹션, 및 언듈레이터를 포함할 수 있다. 빔은 일반적으로 휘어진 섹션에서는 분산 때문에 많이 집광되지 않고, 따라서 포커싱은 벤드 방사선에 기인한 속성의 열화를 초래할 수 있다.

생성된 EUV 방사선의 바람직한 변환 효율 및 파워를 얻기 위해서, FEL의 언듈레이터(24)의 입력에서 다양한 파라미터가 규정될 수 있다. 전자 다발의 피크 전류는 500A 정도일 수 있다. 평균 전류는 수 십 밀리암페어, 예를 들어 30 mA 정도일 수 있다. 전자 빔의 횡방향 이미턴스는 mm*mRad의 십분의 일 정도로 한정될 수 있고, 예를 들어 0.6mm*mRad 미만으로 한정될 수 있다. 전자 빔의 종방향 이미턴스는 수십 KeV*ps 정도로 한정될 수 있고, 예를 들어 100KeV*ps 미만일 수 있다.

생성된 EUV 방사선의 변환 효율 및 파워를 더욱 규정하기 위해서, 언듈레이터(24)의 출력에서 다수의 파라미터가 규정될 수 있다. 이러한 출력 언듈레이터 파라미터는 에너지 복구 선형 가속기(LINAC) 내의 사용된 전자 다발로부터 에너지 복구를 지원하도록 규정될 수도 있다. 전자 빔의 횡방향 이미턴스 증가는 언듈레이터 내의 바람직한 이득 길이를 유지하기 위하여, 언듈레이터(24)의 풀 길이 내로 제한될 수 있다. 전자 빔의 횡방향 이미턴스 증가는 mm*mRad의 십분의 일 정도로 한정될 수 있고, 예를 들어 0.1mm*mRad로 한정될 수 있다.

전자 빔의 횡방향 이미턴스 및 종방향 이미턴스는, 빔 덤프에 접근할 때 잠재적으로 손상시키는 전자 손실의 개수를 한정하기 위하여, 전자 다발이 감속되고 빔 덤프(26)를 향해 지향되는 경우 제한될 수 있다. 전자 빔의 횡방향 이미턴스는 mm*mRad 정도로 한정될 수 있고, 예를 들어 1mm*mRad 정도로 제한될 수 있다. 전자 빔의 피크-피크 종방향 이미턴스는 5% 정도로 제한될 수 있다. 언듈레이터(24)와 빔 덤프(26) 사이에서 발생하는 임의의 추가적 산란 생성 방출 성장은 임의의 연관된 전자 손실을 더욱 한정하기 위하여 0.1 내지 1 mm*mRad 정도의 범위로 제한될 수 있다.

알려진 자유 전자 레이저는 초-고 진공 조건에서 작동된다. 예를 들어, 자유 전자 레이저는 약 1nTorr의 잔여 압력에서 작동될 수 있다. 그러나, 잔여 가스는 동작 중에 전자 빔 경로에 여전히 존재한다. 다수의 잔여 가스는 수소로 이루어진다. 전술된 바와 같이, FEL의 동작 시에, 가속된 전자는 잔여 수소 가스와 충돌하여 양의 이온을 생성한다. 가속된 전자에 의해 방출된 싱크로트론 방사선도 역시 잔여 수소 가스와 상호작용하여, 결과적으로 추가적인 양의 이온이 생성된다. 완화 노력을 하지 않고, 전자 빔 경로 내에 생성된 양의 이온의 개수는 증가하고, 양의 이온 전하는 약 10 초 내에 전자 빔 전하와 매칭된다. 양의 이온 전하가 전자 빔 전하와 매칭되면, 후술되는 영향에 의해 전자 빔 이미턴스가 크게 증가된다.

거의 모든 양의 이온은 전자 빔의 중심에 가까이 생성된다. 생성되면, 양의 이온은 전자 빔과의 전자기 상호작용 때문에 전자 빔 축을 향해 이동된다. 양의 이온이 경험하는 힘은 양의 이온과 전자 빔 축 사이의 거리에 비례한다. 이러한 비례성에 의해 양의 이온이 전자 빔 축 주위에서 발진하게 된다. 거의 균일한 전하 및/또는 이미턴스를 가지는 정규 전자 다발의 세트에서, 양의 이온 발진은 균일하고, 빔 축 주위의 작은 직경 내에서 발생한다. 즉, 이온들은 발진 진폭 또는 속도에 큰 변화가 없이 전자 빔의 정전기 포텐셜 내에서 발진하면서 '포획된다'.

전자 빔을 형성하고 둘러싸는 발진하는 양의 이온의 구름이 전자의 모멘텀을 변경할 것이다. 전자들은 둘러싸는 양의 이온과의 정전기 상호작용 때문에 전자 빔 축을 향해 이동될 것이다. 전자들이 경험하는 모멘텀에 변화가 생기면, 전자 빔 이미턴스에 변화가 생긴다.

전자 빔 이미턴스는, 전자 빔이 언듈레이터(24)(도 3 을 참조한다) 내에 코히어런트 미세다발(microbunches)을 형성하기에는 확산되어 확산되기 때문에, FEL 변환 효율이 제로까지 떨어지도록 너무 많이 증가할 수도 있다. 전자 빔 이미턴스가 증가하면, 전자들이 의도된 빔 경로로부터 편중되기 때문에 FEL 내의 전자의 많은 수가 손실되게 할 수도 있다. 이러한 경우, 너무 적은 전자만이 LINAC의 에너지 복구 섹션에 도달하기 때문에 에너지 복구 LINAC(22)은 작동할 수 없다.

전자 빔 이미턴스가 악화되는 것을 제한하기 위하여, 양의 이온의 농도는 전자의 농도보다 거의 만 배 이상 더 적어야 한다. 전자 빔 이미턴스 열화를 이와 같이 제한하려면, 양의 이온은 생성되고 약 1 밀리초 내에 전자 빔으로부터 분리되어야 한다.

전자 빔으로부터 양의 이온을 분리시키기 위하여, 여러 전략들이 독자적으로, 또는 다양한 조합을 이루면서 사용될 수 있다. 하나의 전략은, 이온 추출 전극을 양의 이온이 누적되는 위치에 배치하는 것을 수반한다. 이온 추출 전극은 양의 이온을 전자 빔 밖으로 꺼내는 전기장을 제공한다. 이온 추출 전극은 무거운 이온, 예를 들어 10보다 질량 대 전하비를 가지는 이온을 제거하는 데에 있어서 특히 효과적이다. 전술된 다른 전략은 양의 이온이 전자 빔 밖으로 드리프트되게 하는 이온 클리어링 갭을 도입하는 것을 수반한다.

전자 빔 경로로부터 양의 이온을 제거하는 하나의 방법은, 전하 및/또는 이미턴스와 같은 전자 다발 특성의 고속 변동을 도입하는 것을 수반한다. 이러한 변동은 클리어링 갭을 가지거나 가지지 않은 전자 빔에 대해 도입될 수 있다. 클리어링 갭이 있는 전자 빔에 이러한 변동이 적용되면, 클리어링 갭만을 실시하는 것과 비교할 때 백 배 이상의 크기로 정상 상태 이온 농도를 감소시킬 수 있다. 전자 다발의 전하 및/또는 이미턴스를 변경시키면, LINAC(22)의 에너지 복구 섹션 내에 가속도 구배의 원치않는 변동이 초래될 수 있다. 전자 다발의 전하 및/또는 이미턴스는 미리 결정된 범위 안에서 변동되어, LINAC의 동작에 해로운 효과가 생기는 것을 피할 수 있다. 다발 전하 및/또는 이미턴스의 변동을 규정하는 기능은, 매 다발 트레인 당 전자 빔에 의해 전달되는 평균 전하(평균 이미턴스)가 일정하게 유지되거나, 공칭으로부터 10% 이하로만 편차를 가지도록, 선택적으로는 공칭으로부터 1% 이하로만 편차를 가지도록 허용될 수 있도록, 선택될 수 있다. 전자 빔 전하 및/또는 이미턴스의 약 1%와 10% 사이의 변동을 가지는 이러한 기능은, LINAC(22)의 에너지 복구 섹션의 동작에 부정적으로 영향을 미치지 않으면서 충분한 양의 이온 제거를 제공할 수 있다. 변동은 전자 빔 전하 및/또는 이미턴스의 공칭 값의 피크-피크 변동일 수 있다. 전자 다발의 전하 및 이미턴스는 커플링될 수 있고, 즉 다발 전하를 1%만큼 증가(감소)시키면 다발 이미턴스를 1%만큼 증가(감소)시킬 수 있다.

전자 빔으로부터 양의 이온을 제거하기 위해 전자 다발 특성의 고속 변동을 도입하는 방법은, 이온 클리어링 갭이 없는 묶음형 전자 빔을 고려함으로써 이해될 수 있다. 횡방향 전자 다발 전하 분포는 전자 빔 축에 중심을 두는 가우시안 분포로서 근사화될 수도 있다. 그러므로 횡방향 평면에 있는 전자 빔의 크기는 이러한 가우시안 분포(

)의 폭으로서 기술될 수 있다. 양의 이온의 다수는 전자 빔 사이즈의 2-시그마 내에서 생성될 것이다. 전자 빔의 2-시그마 영역 내에서, 양의 이온에 작용하는 전자 다발의 효과는 선형화될 수 있다. 즉, 전자 다발 때문에 양의 이온이 경험하는 힘, 또는 속도 변화는 전자 빔 축으로부터의 양의 이온의 양에 비례한다:

여기에서,

- 전통적인 양성자 반경;

- 이온 질량(원자 단위) 대 이온 전하의 비율;

- 광속;

-

(또는

) 방향(가우시안 횡방향 빔 형상)에서의 전자 빔 크기;

- 전자 다발 내의 전자의 개수;

- 전자 다발의 속도 대 광속의 비율;

- 전자 빔 축에 대한 전자 빔 축의

(또는

) 좌표.

실질적으로 동일한 속성을 공유하는 정규 전자 다발로 이루어지는 전자 빔의 경우, 전자 빔 내에서의 양의 이온의 발진은 다음 행렬에 의해 기술될 수 있다:

여기에서,

- 전자 다발의 개수

- 이온이 두 개의 전자 다발들의 도달 사이에서 드리프트될 수 있는 시간

전술된 통상적 EUV FEL 조건에서의 행렬 [A] 의 트레이스의 모듈러스는 2 보다 적다. 이러한 결과는, 이온들이 전자 빔 내에 효과적으로 '포획된다'는 것을 의미한다. 즉, 임의의 개수의 정규 전자 다발이 양의 이온을 통과시킨 이후에, 양의 이온의 속도도 발진 진폭도 무한정으로 증가하지 않는다.

도 20 은 전자 빔 경로(440) 내의 양의 이온(430)의 궤적에 대한 비정규적 전자 다발(450)의 영향을 예시하는 도면이다. 전자 다발 전하 및/또는 이미턴스의 고속 변동을 도입하면, 비정규적 전자 다발의 세트(450)가 생성된다. 각각의 전자 다발은 양의 이온에 상이한 힘을 유도한다. 양의 이온에 작용하는 유도된 힘을 다르게 하면, 전자 빔 축(440) 주위에 불균일한 발진(430)이 생긴다.

비정규적 전자 다발(450)에 의하여 양의 이온에 작용되는 힘을 다르게 하면, 양의 이온이 전자 빔 경로(440)를 벗어나도록 그들의 발진(430)의 진폭이 증가될 수 있다. 양의 이온 발진 진폭(D)은 너무 크게 증가해서, 양의 이온이 FEL의 빔-파이프 벽과 충돌하게 될 수 있고, 이제 재결합하여 초고 진공 펌프를 통해 FEL로부터 제거될 수 있는 중립 스피시즈(neutral species)를 생성할 수 있다. 양의 이온 발진 진폭(D)은 많은 수의 양의 이온이 FEL에 존재하는 경우에도, 전자 빔 경로(440) 내에 양의 이온이 실질적으로 존재하지 않도록, 충분히 증가할 수 있다.

전자 다발 변동에 의한 양의 이온의 제거는 이온 클리어링 갭을 도입함을 통해서 크게 가속될 수 있다. 통상적 FEL 조건에서(수 십 mA의 빔 전류, 0.1-1 mm의 빔 크기, 1-30 의 이온 질량 대 전하 비율, ~0.1 us의 클리어링 갭, ~1 MHz의 클리어링 갭 반복률), 이온들은 0.1-10 MHz의 범위에 있는 주파수를 가지고, 전자 빔의 중심축 중심으로 진동한다. 동일한 주파수 범위에 있는 전하 및/또는 이미턴스에 대하여 빔 변조 함수를 도입함으로써, 이온을 공진 내로 구동하고, 따라서 이온 발진 진폭을 신속하게 빔 파이프의 크기까지 증가시키는 것이 가능하다(<10 ms). 전자 빔 경로로부터 양의 이온을 제거함으로써, 전자 빔의 이미턴스 증가가 완화된다. 양의 이온을 제거하는 이러한 방법은 LINAC(22)의 동작에 해로운 영향을 피하면서 수락가능한 FEL 변환 효율을 유지할 수도 있다. 최적의 변조 함수들의 예가 도 23 및 도 24 에 제공된다. 차선의 변조 함수의 일 예가 도 25 에 도시된다. 도 23 은 발진 주기의 10%를 차지하는 클리어링 갭 도중에 0 내지 2π의 위상의 랜덤 점프를 경험하는 정현 변조 함수를 포함하는데, 따라서 푸리에 스펙트럼에서 제로로부터 기본 주파수의 10배(이러한 예에서 베이스 주파수는 ~1 MHz임)가 존재하고, 이것이 동일한 범위의 고유 주파수를 가지는 이온을 실효적으로 구동함으로써 이들을 제거한다.

도 21 은 전자 주입기의 일 실시예의 개략도이다. 주입기는 구동 레이저(310), 음극(340) 및 전자 부스터(390)를 포함한다. 음극(340)은 전자총 챔버(350) 내에 있다. 전자총 챔버(350)는 방사선(420)의 빔을 방사원(300)으로부터 수광하도록 구성된다. 방사원(300)은, 예를 들어 레이저 빔(400)을 방출하는 구동 레이저(310)를 포함할 수도 있다. 구동 레이저는 시드 레이저 및 광학 증폭기(미도시)를 포함할 수 있다. 레이저 빔(420)은 전자총 챔버(350) 내로 지향되고, 음극(340)에 입사한다. 도 21 에 도시되는 실시예에서, 레이저 빔(420)은 음극(340) 상에 입사하도록 미러(미도시)에 의해 반사된다.

음극(340)은 높은 전압으로 유지된다. 예를 들어, 음극(340)은 약 수백 킬로볼트의 전압에 유지될 수도 있다. 음극(340)은 전자 총 챔버(350)의 일부를 형성할 수도 있는 전압원을 사용하여 높은 전압에서 유지될 수도 있고 전자 총 챔버와 분리될 수 있다. 레이저 빔(420) 내의 광자는 음극(340)에 의하여 흡수되고 음극 내의 전자를 여기시킨다. 음극(340) 내의 일부 전자는 음극으로부터 방출되는 충분히 높은 에너지 상태로 여기된다. 음극(340)의 높은 전압은 음수이고, 따라서 음극으로부터 방출되는 전자를 음극으로부터 멀어지게 가속하고, 이를 통해 전자의 빔을 형성한다.

레이저 빔(400)은 펄스형 레이저 빔이다. 전자는 레이저 빔(420)의 펄스에 대응하는 다발로 음극(340)으로부터 방출된다. 그러므로 전자 빔은 일련의 전자 다발(360)을 포함한다. 레이저(310)는, 예를 들어 피코초 레이저일 수도 있고, 따라서 레이저 빔 내의 펄스는 약 수 피코초의 지속기간을 가질 수도 있다. 음극(340)의 전압은 DC 전압 또는 AC 전압일 수도 있다. 음극(340)의 전압이 AC 전압인 실시예들에서, 음극 전압의 주파수 및 위상은, 레이저 빔의 펄스가 음극의 전압에 있는 피크와 일치하도록 레이저 빔(400)의 펄스와 매칭될 수도 있다. 레이저 빔(400)의 펄스는 전자 부스터(390) 내에서 가속 필드와 매칭되어, 전자 다발(360)이 가속 필드가 전자 다발을 가속시키도록 작용하는 시점에 전자 부스터에 도달하도록 할 수도 있다. 이와 유사하게, 레이저 빔 펄스(400) 및 LINAC(22)의 가속 필드도 역시 동기화될 수 있다.

구동 레이저(310)는 레이저 빔(420)이 음극(340)에 입사하기 이전에 고속 변조 유닛(320) 및 갭 도입 유닛(330)을 통해 펄스형 레이저 빔을 전송한다. 제어 유닛(380)은 구동 레이저(310)의 지속기간 및 타이밍을 조절하기 위하여 사용된다. 또한, 제어 유닛(380)은 고속 변조 유닛(320) 및 갭 도입 유닛(330)을 제어하기 위하여 사용된다. 제어 루프는 제어 유닛(380) 및 에너지 복구 LINAC(22) 및 LINAC에서의 가속 구배의 변경을 보상하는 부스터(390) 사이에 존재한다. 전자 다발이 알려진 함수를 사용하여 변조되면, 피드-포워드 루프가 제어 유닛(380)과 LINAC(22) 사이에 존재할 수 있다. 전자 다발 변조가 구동 레이저(310)의 잡음 증폭을 통해 구현되는 경우, 고속 변조 유닛 및 구동 레이저가 결합되어 단일 유닛을 형성할 수도 있다.

음극(340)으로부터 방출된 전자 빔은 전자 부스터(390)에 의하여 가속된다. 전자 부스터(390)는 빔 경로를 따라 그리고 상대론적 속력까지 전자 다발을 더욱 가속하는 LINAC(22)을 향해 가속하는 역할을 한다. 전자 부스터(390)는, 예를 들어 전자 다발(360)을 약 5 MeV가 넘는 에너지로 가속할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 전자 부스터(390)는 전자 다발(360)을 약 10 MeV가 넘는 에너지로 가속할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 전자 부스터(390)는 전자 다발(360)을 약 20 MeV까지의 에너지로 가속할 수도 있다.

전자 부스터(390)는 에너지 복구 LINAC(22)과 유사할 수도 있고, 예를 들어 복수 개의 무선 주파수 캐비티 및 하나 이상의 무선 주파수 전력원을 포함할 수도 있다. 무선 주파수 전력원은 빔 경로 내의 전자기장을 제어하도록 동작가능할 수도 있다. 전자 다발(360)이 캐비티들 사이를 지나갈 때, 무선 주파수 전력원에 의하여 제어되는 전자기장은 각각의 전자 다발이 가속되게 한다. 캐비티는 초전도 무선 주파수 캐비티일 수도 있다. 대안적으로는, 캐비티는 통상적으로 도전형이고(즉 초전도형이 아님), 예를 들어 구리로 제조될 수 있다.

위에서 설명된 바와 같이 음극(340)에 입사하는 각각의 레이저 빔(420)의 펄스는 대응하는 전자 다발(360)이 음극(340)으로부터 방출되게 한다. 전자 빔(E) 내의 각각의 전자 다발(360)은 전자 부스터(390) 및 에너지 복구 LINAC(22)에 의하여 가속된다. 가속된 전자 다발(360)은 그들이 방사선의 방출을 자극하여 방사선 빔을 형성하는 언듈레이터로 들어간다. 방사선 빔은 펄스형 방사선 빔이고 언듈레이터 내의 각각의 전자 다발(360)은 방사선 빔 내의 방사선의 펄스의 방출을 야기한다. 그러므로, 음극(340)에 입사하는 레이저 빔(420) 내의 각각의 펄스에 대하여, 전자 빔 내의 대응하는 전자 다발(360) 및 자유 전자 레이저(FEL)로부터 방출된 방사선 빔 내의 대응하는 펄스가 존재한다.

양의 이온을 전자 빔 경로로부터 제거하기 위하여 전자 다발의 전하 및/또는 이미턴스가 변경될 수 있는 많은 방식들이 존재한다. 본 발명의 일 실시예는 구동 레이저 빔의 레이저 펄스의 에너지를 변경하는 것을 수반한다.

구동 레이저(310)에 의해 방출된 펄스의 에너지는 구동 레이저와 연관된 노이즈(예를 들어 샷(shot) 노이즈)를 증폭함으로써 변경될 수 있다. 예를 들어, 구동 레이저(310)의 시드 레이저와 연관된 노이즈가 레이저 펄스를 증폭하기 위해 사용되는 광학 증폭기에 인가될 수 있다. 그러면, 광학 증폭기에 의한 증폭이 변경될 것이고, 따라서 음극(340)으로 제공되는 레이저 펄스의 파워의 펄스-펄스 변동이 야기된다. 노이즈가 증폭되면 주입기에서 생성되는 전자 다발 전하에 펄스-펄스 변동이 생긴다. 즉, 증폭된 샷 노이즈 효과를 통해서 각각의 펄스 내의 광자의 개수가 다르기 때문에 상이한 양의 전자가 각각의 다발 내의 음극(340)으로부터 방출된다. σ<100 um인 전자 빔 내의 M/Z<10 인 이온을 제거하기 위해서 높은 주파수(>(10) MHz) 변조가 최적이다(M/Z는 원자 단위인 이온의 질량의 그 전하에 대한 비율이고, σ는 전자 빔 크기(가우시안)이다).

구동 레이저(310)에 의해 생성된 레이저 펄스의 에너지는 고속 변조 유닛(320)을 사용하여 변경될 수 있다. 예를 들어, 고속 변조 유닛(320)은 포켈스 셀을 포함할 수 있다. 편광자와 함께 포켈스 셀은 광을 차단하기 위해서 사용될 수 있고, 차단되는 광량은 포켈스 셀 양단 전압에 의해 결정된다. 그러므로 포켈스 셀 양단의 전압의 변조가 펄스가 음극(340)에 입사하기 이전에 구동 레이저(310)에 의해 방출되는 펄스의 에너지를 변조하기 위해서 사용될 수 있다. 구동 레이저(310)의 에너지 펄스를 변조하면, 주입기 내의 음극(340)에 의해 생성되는 다발 전하가 변조될 것이다. 적당한 주파수 변조(0.1-10 MHz)가 전자 빔 σ<1 mm 내의 이온 M/Z<100 에 대해 효율적이다.

본 발명의 추가적인 대안 실시예는, 펄스가 음극(340)에 입사하기 전에 구동 레이저(310)에 의해 생성되는 펄스의 파면의 변동을 유도하는 것을 포함한다. 구동 레이저에 의해 생성된 펄스의 파면의 변동은 높은 모드 비팅(beating)으로 동작되는 캐비티 증폭(cavity amplified) 포켈스 셀을 사용하여 달성될 수 있다. 음극에 도달하는 구동 레이저 펄스의 파면이 변동하면, 음극(340)의 조명된 영역의 프로파일이 변화된다. 음극(340)의 조명된 영역을 변경하면, 생산된 전자 다발의 공간-전하 지배(dominated) 이미턴스가 변경된다.

그러나, 본 발명의 추가적인 대안 실시예는 생산된 전자 다발의 이미턴스를변경하기 위해서 음극(340)의 온도 변경을 유도하는 것으로 이루어진다. 펄스들 마다 음극 온도를 변경하면, 기동 전자 열에너지를 변경하여 기동 전자 다발 이미턴스가 변경되게 한다. 구동 레이저(310)에 대한 그 외의 레이저도 역시 음극에 존재할 수 있고, 무작위 또는 변조 방식으로 음극의 온도를 변경하기 위하여 사용될 수 있다. 제 2 레이저는 포토-효과에 의한 전자 방출을 방지하기 위한 IR 레이저일 수 있다. 음극 온도가 각각의 전자 다발에 대해 상이하면, 각각의 전자 다발은 상이한 시작 이미턴스를 가질 것이다.

도 22 는 구동 레이저에 의해 생성된 레이저 펄스(400)의 세트가 도 21 에서 도시된 고속 변조 유닛(410) 및 갭 도입 유닛(420)을 통과할 때의 그들의 에너지가 변화하는 것을 나타내는 예시적인 그래프이다. 도 23 및 도 24 는 전하 변조 함수의 예들인데, 이들은 통상적 FEL 조건에서의 이온 제거에 대해 최적이다(충분한 파워로 0.1-10 MHz의 범위 안에 모든 주파수를 포함하고, 다발 트레인 당 평균 전하를 보존함). 도 23 은 위상 변조된 전하(하나 또는 정수 개수의 발진 주기가 하나의 다발 트레인 안에 들어감), 클리어링 갭 도중의 발진 점프의 위상 [0 내지 2π] 의 일 예이다. 도 24 는 진폭 변조된 전하(하나 또는 정수 개수의 발진 주기가 하나의 다발 트레인 안에 들어감), 클리어링 갭 도중의 변조 진폭(0-10%)의 점프의 일 예이다. 도 25 는 제한된 개수의 경우(M/Z<10 및 σ<0.1 mm)에 대해서만 효율적인 고주파수 변조(펄스-펄스 기초에 대한)의 일 예이다.

고속 변조 유닛 및 갭 도입 유닛은, 각각의 유닛이 매우 상이한 주파수 및 진폭에서 동작하기 때문에 분리될 수 있다.

전술된 바와 같은 전자 다발 전하 및/또는 이미턴스의 위상 및/또는 진폭의 노이즈-유사 변동은, 가속 구배 및 전류 로딩의 작은 왜곡만이 LINAC/s와 연관되도록 보장하면서, 전자 빔 경로로부터 양의 이온을 제거할 때에 이온 클리어링 갭의 효율을 증가시킬 것이다. 정상 상태 농도가 감소되는 것은 모든 다발이 유사하고 클리어링 갭이 인가된 경우에 비하여, 적어도 두 자릿수이다.

제어 유닛을 사용하여 작동되는 피드 포워드 루프가 함수-유사 변조된 전자 다발 전하 및/또는 이미턴스 변동에 기인하여 LINAC에서 발생할 수 있는 임의의 전류 로딩 및 가속도 구배 변동을 보상하기 위하여 사용될 수 있다.

제어 유닛(380)과 변조 유닛(320)은 합해져서 이온 제거 장치의 일 예인 것으로 간주될 수 있는데, 이것은 이들이 조합을 이루면 빔 경로로부터 이온을 제거하는 전자 다발의 전하 또는 이미턴스에 변동을 일으키기 때문이다. 변동이 구동 레이저(310)에 인가되어 구동 레이저로부터 출력되는 펄스의 전하 또는 이미턴스를 변경하는 실시예들에서, 구동 레이저는 변조 유닛(380)과 함께 이온 제거 장치의 일 예인 것으로 간주될 수 있다.

전술된 바와 같이, 이러한 양의 이온 제거 방법은 독자적으로 또는 다른 이온 제거 방법과 조합되어 사용될 수 있다. 다른 양의 이온 제거 방법에는 이온 클리어링 갭을 사용하는 것 및/또는 이온 추출 전극을 사용하는 것이 있는데, 이것들로 한정되는 것은 아니다. 양의 이온을 전자 빔으로부터 실질적으로 제거하기 위하여 전자 다발 속성의 고속 변동 방법을 사용하면, 다른 방법들이 그 과정에서 충분하지 않다면 EUV 방사선을 생성하기 위해 FEL을 작동시킬 수 있다.

전자 다발이 FEL을 통과할 때, 이들은 존재할 수 있는 이온 추출 전극 내에 전자기 웨이크필드를 유도한다. 이러한 전자기 웨이크필드의 생성은 전자 빔 에너지의 손실을 구성하고, 언듈레이터(24)에서의 전자 다발의 휘도를 감소시킨다. 전자 다발 속성의 고속 변동은 조합되어 사용될 때 전자 빔으로부터 양의 이온을 실질적으로 제거하기 위해 필요한 이온 추출 전극의 개수를 감소시킬 수 있다. FEL 시스템 내에 감소된 개수의 이온 추출 전극을 가진다는 것은, 전자 다발에 의해 경험되는 더 적은 전자기 '웨이크필드' 손실이 있을 것이라는 것을 의미하고, 이것이 FEL의 변환 효율을 개선할 것이다.

전자 다발 속성을 변경시키는 기법을 사용하면, FEL LINAC 시스템의 커미셔닝(commissioning)도 역시 단순화할 수 있다. 이것은, 전자 빔으로부터 양의 이온을 제거하는 것이 양의 이온에 의해 야기된 앞서 언급된 전자 빔 포커싱(focussing) 효과를 보상하기 위해서 LINAC의 요소들을 리튜닝(retune)할 필요성이 없어지게 할 수 있기 때문이다. 또한, 전자 빔 속성의 고속 변동은, 더 많은 양의 이온이 더 쉽게 전자 빔으로부터 제거될 수 있기 때문에 FEL의 진공 요구 사항을 감소시킬 수 있다. 예를 들어 요구되는 진공 펌프의 개수 및/또는 FEL의 내벽에 적용되는 가스 흡수 코팅의 양이 감소될 수 있다.

이온 추출 전극이 위에서 언급된 바와 같은 전자기 웨이크필드를 유도할 수 있지만, 그럼에도 불구하고, FEL로부터 이온을 효율적으로 추출하기 위해서 이온 추출 전극을 사용하는 것은 유리할 수 있다. 통상적 구성에서, 전극들은 전자 빔이 전파되는 빔 파이프의 반대측에 제공된다. 전극에 전압차가 인가되고 전극들 사이에서 연장되고 전자 전파의 방향을 횡단하는 전기장을 생성한다. 전기장 근방에서 생성되는 양의 이온은 추출 전극의 음극을 향해 끌려간다. 이온들은 음극 또는 빔 파이프의 벽으로부터 전자를 수신하고, 중성 분자를 형성한다. 중성 분자는 진공 펌프에 의해 빔 파이프로부터 추출된다.

FEL의 전자 빔은 그 자체로, 이온을 그들의 생성위치로부터 추출 전극을 향해 밀어내는 종방향 전기적 포텐셜을 제공할 수 있다. 이러한 포텐셜(유효 빔 포텐셜이라고 불릴 수 있음)에 의한 양의 이온의 가속화는 양의 이온의 질량에 따라 달라질 수 있다. 무거운 이온(예를 들어 10 보다 큰 원자량)은 가벼운 이온보다 덜 빠르게 가속될 것이다. 전자 빔이 방향을 바꾸는 자유 전자 레이저의 일부 부분, 예컨대 조향 유닛(23, 25)(도 3 을 참조한다)에서, 유효 빔 포텐셜이 고려될 수 있다. 그러면, 이온들이 추출 전극으로 충분히 빠르게 이동되게 될 수 있어서, 자유 전자 레이저에 의해 방출된 EUV 방사선 빔에 큰 열화가 일어나지 않게 된다. 예를 들어, 이들은 1ms 내에서 전자 빔 경로로부터 추출될 수 있다. 그러나, 특히 전자 빔이 직선으로 전파되는 자유 전자 레이저의 다른 부분에서는, 유효 빔 포텐셜이 상대적으로 작으며, 결과적으로 이온들은 EUV 방사선 빔의 열화를 피하기 위해 충분히 신속하게 추출되지 않을 수도 있다. 언듈레이터(24)는 이러한 포지션의 일 예이다. 전자 빔의 횡방향 치수가 빔이 언듈레이터(24)를 따라 전파할 때에 변경될 수 있지만, X 및 Y 치수의 합은 상대적으로 일관되게 유지되고, 따라서 평평한 종방향 포텐셜이 발생한다. 결과적으로, 언듈레이터 모듈 내에 유효 빔 포텐셜이 조금 있거나 아예 없다.

추출 전극을, 예를 들어 FEL의 언듈레이터(24)의 모듈 내에 제공하는 것이 비실용적일 수도 있다. 예를 들어, 언듈레이터(24)는 약 2m 길이로 그 안에 1cm 직경의 빔 파이프가 제공되는 복수 개의 모듈을 포함할 수 있다. 이러한 언듈레이터 모듈 내에 추출 전극을 제공하는 것은 쉽지 않은 일일 수 있으며, 추출 전극이 빔 파이프의 내부면의 평활도를 손상시킬 수 있는 위험이 존재한다. 더욱이, 추출 전극 근처에서 형성된 분자의 추출을 위해 진공 펌프에 연결되기 위한 개구를 제공할 만큼 언듈레이터 모듈 내에 충분한 공간이 없을 수도 있다. 이러한 이유 때문에, 추출 전극은 언듈레이터 모듈 내가 아니라 언듈레이터 모듈들 사이에 제공될 수 있다.

그러나, 언듈레이터 모듈의 중심을 향해 생성된 이온들은 언듈레이터 모듈의 일단에 위치된 추출 전극까지 이동하는 데에 시간이 많이 걸릴 수 있다. 예를 들어, 이온이 추출 전극으로 이동하기 위해서 10ms 이상이 걸릴 수도 있다. 전자 빔 경로에 양의 이온이 축적되면 전자 빔의 이미턴스에 해로운 영향을 줄 것이고, 따라서 FEL에 의해 방출된 EUV 방사선 빔 에도 해로운 영향을 줄 것이기 때문에, 이러한 현상은 바람직하지 않다. 양의 이온이 생성된 이후 1ms 안에 양의 이온을 추출하는 것이 바람직할 수 있다.

위의 이슈를 다루는 본 발명의 일 실시예가 도 26 에 개략적으로 도시되는데, 이것은 RF 전자기파 주입 장치를 도시한다. 무선 주파수(RF) 전자기파 방출기(500)는 도파관(502)을 통해 자유 전자 레이저(FEL)의 일부를 형성하는 빔 파이프(504)로 연결된다. 예를 들어, RF 방출기(500) 및 도파관(502)은 언듈레이터의 모듈들 사이에 제공될 수 있고, 또는 임의의 다른 적합한 위치에 제공될 수 있다. 커플링 안테나(506)(공진 챔버라고도 불릴 수 있음)가 도파관(502)이 빔 파이프(504)와 만나는 위치에 제공된다. 추출 전극(508)이 빔 파이프(504)를 따라 더 제공된다. 예를 들어, 추출 전극은 커플링 안테나(506)로부터 언듈레이터 모듈(24)의 반대 측에 위치될 수 있다. 언듈레이터 모듈(24)은 도시되지 않지만 명명된(labelled) 갭 내에 위치된다.

일 실시예에서, RF 방출기(500)로부터 방출된 RF 전자기파는 도파관(502)을 따라서 커플링 안테나(506) 내로 전파되지만, 빔 파이프(504)를 따라서는 전파되지 않는다. 대신, RF 전자기파에 의해 생성된 에버네슨트 파가 빔 파이프(504) 내로 연장된다. 에버네슨트 파는 빔 경로(504)를 따라 연장되는 구배를 가지는 전기장을 제공한다. 양의 이온은 전기장에 기인하여 전기적 포텐셜 구배를 겪게되고, 해당 전기적 포텐셜 구배를 따라서 이동할 것이다.

에버네슨트 전자기파는 언듈레이터 모듈(24) 내로 연장되고, 양의 이온을 언듈레이터 모듈 밖으로 밀어내는 전기적 포텐셜을 제공한다. 이온은 추출 전극(508)을 향해 밀려나고, 그러면 추출 전극이 빔 경로로부터 이온을 제거한다. 에버네슨트 전자기파에 의해 제공된 전기적 포텐셜은 충분히 강해서, 이온들이 1ms 이하 안에 빔 경로로부터 제거된다.

에버네슨트 전자기파에 의해 제공되는 전기적 포텐셜 U_w는 유도된 RF 전자기파가 빔 파이프(504)와 만나는 지점에서 최대이다. 도시된 실시예에서 이것은 커플링 안테나(506)에 있다. 전기적 포텐셜은 U_w/λ_w의 평균 구배로 강하하는데, 여기에서 λ_w는 빔 파이프(504) 내의 에버네슨트 전자기파의 파장이다. 예를 들어, 전기적 포텐셜의 구배는 0.1-10 V/m의 범위에 있을 수 있다(이것은 이온의 전하와 전자기파의 파워에 따라 달라질 것임). 이온은 이온의 전하 대 질량비에 따라 달라지는 가속도를 가지고 전기적 포텐셜의 구배를 따라간다. 이온들은 예를 들어 약 1ms 이하 동안 추출될 수 있다.

일 실시예에서, 에버네슨트 전자기파는 TE 모드에서, 즉 전자 빔 경로의 축에 대해 수직인 전기장(전자 빔 경로는 도 26 에서 점선으로 표시됨)을 가지고 연속적으로 인가될 수 있다. 이러한 경우, 에버네슨트 전자기파의 자기장과 전자 빔이 상호작용하는 것은 제로이다(이들은 서로 평행임). 에버네슨트 전자기파의 전기장에 의해 야기되는 전자 에너지/모멘텀 변화는 10 eV 정도이다. 이것은 전자 빔에는 거의 영향을 주지 않으며, FEL로부터 방출된 EUV 방사선 빔에 무시될 수 있는 영향을 준다.

대안적인 실시예에서 에버네슨트 전자기파는 TM 모드에서, 즉 전자 빔 경로의 축에 수직인 자기장을 가지고 연속적으로 인가될 수 있다. 그러한 경우 전기장에 의해 야기된 전자의 에너지/모멘텀 변화는 약 100 KeV일 수 있다. 자기장의 영향을 무시될 수 있다.

일 실시예에서, RF 방출기(500)는 RF 방출기가 이온 클리어링 갭 도중에만 작동하는 펄스형 모드에서 작동될 수 있다. 그러한 경우, 전자 빔은 에버네슨트 전자기파에 의해서 아무런 영향을 받지 않는데, 그 이유는 전자 빔이 빔 파이프(504)를 따라 이동할 경우 에버네슨트 전자기파가 존재하지 않기 때문이다.

일 실시예에서, 약 2m 만큼(이것은 언듈레이터 모듈의 길이에 대응할 수 있음) 빔 파이프(504)를 따라 연장되는 에버네슨트 파를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 0.1 V/m 이상의 포텐셜 구배를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 빔 파이프는 약 5mm의 반경을 가질 수 있다. 이러한 예에서의 둥근 도파관 공식에 따르면, 전자기파에 대한 컷오프 주파수는 17.58 GHz이다. 이것은 2cm의 파장에 대응한다.

RF 방출기(500)에 의해 제공되어야 하는 전자기파의 주파수를 결정하기 위하여 다음 공식이 사용될 수 있다:

f가 컷오프 주파수인 경우, λ는 컷오프 주파수에 대응하는 파장이고, λ_w는 에버네슨트 파의 원하는 파장(이러한 예에서는 2m)이다. 이러한 수학식을 사용하면, 17.58 GHz 컷오프 주파수의 약 8.8 MHz 아래인 주파수가 원하는 에버네슨트 파를 제공할 것이라는 것을 알 수 있다.

도 27 은 2m의 길이인 5mm 반경 빔 파이프 내로 연장되는 에버네슨트 파의 필드 세기가 RF 파의 상이한 주파수에 대해서 어떻게 변동하는 지를 나타내는 그래프이다. 빔 파이프의 컷오프 주파수는 17.58 GHz이다. 그래프의 왼쪽 아래 구석에 표시된 명명되지 않은 곡선이 17.00 GHz 곡선이다. 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 17.58 GHz보다 훨씬 낮은 주파수에 대해서, 에버네슨트 파는 2m 길이의 빔 파이프의 적은 부분을 통해서만 연장된다. 주파수가 17.58 GHz에 가까워짐에 따라, 에버네슨트 파는 빔 파이프를 따라 더욱 연장되고, 예를 들어 주파수가 17.57 GHz인 경우 1m를 넘게 연장된다. 더욱이, 이러한 주파수에서의 에버네슨트 파는 큰 구배를 가지는 필드 세기를 가진다(필드 세기는 7,000 kV/m로부터 제로까지 강하함). 에버네슨트 파에 도달하는 컷오프 주파수가 더 이상 존재하지 않으면, 대신에 변조 필드가 목격된다.

RF 방출기(500)를 구동하는 RF 신호를 생성하기 위해서 튜닝가능 RF 소스가 사용될 수 있다. RF 소스는, 컷오프 주파수에 충분히 가까운 주파수가 원하는 에버네슨트 파를 제공하기 위해 제공될 수 있다는 것을 보장하기 위해서, 1x10^-5 이상의 주파수 안정성을 가질 수 있다. 1x10^-5 보다 양호한 안정성을 가지는 RF 소스의 일 예는 Keysight Technology, USA로부터 입수가능한 N5193A 신호 발생기이다.

무거운 이온(예를 들어 10 이상의 원자 질량 단위를 가지는 이온)을 1ms 이하 안에 언듈레이터 모듈로부터 제거할만큼 충분히 강한 전기적 포텐셜을 제공하기 위해서, 약 300 kV/m의 전기장 세기가 바람직할 수 있다. 그러면, 약 30 kW의 파워가 RF 방출기(500)로부터 전달되어야 할 수 있다. 전자기파는 빔 파이프(504)의 컷-오프 주파수의 바로 아래이고, 결과적으로 상당량의 파워가 빔 파이프 내의 옴 손실에 기인하여 소모될 수도 있다. 일부 파워는 추출 전극에서 소산될 수도 있다. 전극은, 전력 소모를 증가시킬 전극에서 또는 주위에서 공진이 유도되지 않도록 설계될 수 있다.

도파관(502)의 폭(D)과 빔 파이프(504)의 폭(d)이 도 26 에 모두 표시된다. 빔 파이프(504)의 폭보다 폭이 더 큰 도파관(502)을 제공하면, RF 전자기파가 도파관 내에 생성되게 할 수 있고, 이것은 빔 파이프 내에 에버네슨트 파를 형성한다. 도파관 또는 빔 파이프가 원형 단면을 가지는 실시예들에서, 폭은 도파관 또는 빔 파이프의 직경에 대응한다.

대안적인 실시예에서, 에버네슨트 파가 빔 파이프(504) 내로 연장되게 하는 구성 대신에, 두 개의 상이한 주파수로 전파되는 전자기파들이 빔 파이프 내에 제공될 수 있다. 전파되는 파들은 주파수가 충분히 가까워서 비팅 전자기파를 생성할 수 있다. 전자기파의 위상은, 주입 포인트(예를 들어 커플링 안테나(506))에서 비팅 전자기파의 최대 진폭을 제공하고, 추출 전극(508)에서 최소 진폭을 제공하도록 제어될 수 있다. 비팅 전자기파는 이온을 빔 파이프(504)를 따라서 추출 전극(508)을 향해 밀어낸다. 일 실시예에서, 주입 포인트는 언듈레이터 모듈(24)의 일측에 있을 수 있고, 추출 전극은 언듈레이터 모듈의 반대측에 있을 수 있다.

비팅 전자기파를 사용하는 실시예에서, RF 방출기는 빔 파이프(504)의 컷오프 주파수보다 많이 아래인 주파수에서 RF 전자기 방사선을 제공할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 주파수는 9.75 GHz일 수 있다. 두 개의 전자기파들이 제공되고, 그들 사이에 약 1%의 디튜닝을 가질 수 있다. 10 원자 질량 단위를 가지는 이온(해당 이온에 전자가 하나 없다고 가정)에 대해 0.1 V/m의 포텐셜 강화를 제공하기 위하여, 빔 파이프(504) 내의 비팅 전자기파의 전기장의 세기는, 예를 들어 약 30 KV/m일 수 있다. 이러한 전기장은 약 300 W의 파워를 가지는 전자기파를 생성함으로써 제공될 수 있다.

일반적으로, 전기장 세기와 결과적인 전기적 포텐셜 사이의 관련성은 다음 수학식을 사용하여 결정될 수 있다:

여기에서 U _rf 는 전기적 포텐셜이고, Z는 이온의 전하이며, A는 원자 진량 단위인 이온의 질량이고, m _u c ² 은 원자 질량 단위의 에너지 등가이고(931.5 MeV),

는 2π만큼 분할된 전자기파의 파장이며, e는 전자의 전하이고, E는 전자기파 내의 전기장 발진의 진폭이다.

RF 방출기(500)를 구동하는 RF 신호를 제공하는 RF 소스를 제어하기 위해서 제어 유닛(미도시)이 사용될 수 있다. 제어 유닛은 RF 신호를 튜닝하여 빔 파이프(504)내에 원하는 전자기파(예를 들어 에버네슨트 파 또는 비팅 파)를 제공하기 위해서 사용될 수 있다. 센서는 전자기파의 세기를 모니터링하기 위해 사용될 수 있다.

전술된 예에서, 방출기(500)에 의해 제공되는 전자기파는 이온을 추출 전극(508)을 향해 밀어내는 전기적 포텐셜을 제공한다. 추가적으로 또는 대안적으로는, 이온은, 전자 빔이 집광되어 해당 위치에 접근하는 이온이 불안정해지고 빔 파이프(504)의 벽을 향해 밀어내지도록 하는 빔 경로 내의 해당 위치로 전자기파에 의해 밀어내 질 수도 있다(예를 들어, 클리어링 갭 및/또는 클리어링 갭과 빔 변조의 조합의 영향 때문에, 또는 그 질량-전하 비율을 감소시키는 전자 빔에 의해 이온으로부터 떨어져 나오는 추가적 전자 때문에).

자유 전자 레이저(FEL)는 도 1 의 리소그래피 시스템(LS)의 일부를 형성할 수도 있고, 자유 전자 레이저에 의하여 생성되는 방사선은 궁극적으로 하나 이상의 리소그래피 장치(LA₁-LA₂₀) 내의 하나 이상의 기판에 의하여 수광된다. 이러한 기판은 패터닝된 방사선을 수광하도록 구성되는 타겟부를 포함하는 것으로 간주될 수도 있다.

"EUV 방사선"이라는 용어는 4-20 nm의 범위 내의, 예를 들어 13-14 nm의 범위 내의 파장을 가지는 전자기 방사선을 망라하는 것을 간주될 수 있다. EUV 방사선은 10 nm 미만의, 예를 들어 4-10 nm의 범위 내의, 예컨대 6.7 nm 또는 6.8 nm의 파장을 가질 수도 있다.

비록 본 발명의 특정한 실시예가 위에서 설명되었지만, 본 발명은 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 위의 설명은 한정적인 것이 아니라 예시적인 의도로 제공된다. 따라서, 다음 진술되는 청구항의 범위로부터 벗어나지 않으면서, 설명된 바와 같은 본 발명에 변경이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다.

Claims

자유 전자 레이저(FEL)를 사용하여 극자외(EUV) 방사선을 생성하는 방법으로서,
전자 다발을 생성하도록, 구동 레이저 빔을 음극 상으로 지향시키는 단계;
상기 전자 다발을 가속하도록, 상기 전자 다발을 선형 가속기(LINAC)로 통과시키는 단계; 및
EUV 방사선을 생성하도록 구성되는 언듈레이터를 통한 전자 다발 경로를 따라 상기 전자 다발을 통과시키는 단계를 포함하고;
상기 방법은,
미리 결정된 범위 안에서 상기 전자 다발의 전하 또는 이미턴스(emittance)의 변동을 적용함으로써, 상기 전자 다발 경로로부터 양으로 하전된 이온을 제거하는 단계를 더 포함하고,
전하 또는 이미턴스 변동의 미리 결정된 범위는 LINAC 내에서의 가속 구배의 변동을 제한하도록 선택되는, 극자외 방사선 생성 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 전자 다발의 전하 또는 이미턴스의 변동의 미리 결정된 범위는 상기 전자 다발의 전하 또는 이미턴스의 10% 이하인, 극자외 방사선 생성 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
변동은 상기 전자 다발의 전하 및 이미턴스 양자 모두에 적용되는, 극자외 방사선 생성 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
적용된 변동은, 음극에 입사하는 구동 레이저 빔의 레이저 펄스의 에너지를 변경함으로써 구현되는, 극자외 방사선 생성 방법.
제 4 항에 있어서,
구동 레이저 빔의 레이저 펄스의 에너지를 변경하는 것은, 구동 레이저와 연관된 노이즈의 증폭을 포함하는, 극자외 방사선 생성 방법.
제 4 항에 있어서,
구동 레이저의 펄스의 에너지를 변경하기 위하여 포켈스 셀이 사용되는, 극자외 방사선 생성 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
구동 레이저에 의해 생성되는 펄스의 파면은 변동되는, 극자외 방사선 생성 방법.
제 7 항에 있어서,
구동 레이저에 의해 생성되는 펄스의 파면을 변동시키기 위하여 포켈스 셀이 사용되는, 극자외 방사선 생성 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
음극의 온도는 전자 다발의 이미턴스의 변동을 적용하기 위해 변동되는, 극자외 방사선 생성 방법.
제 9 항에 있어서,
음극 상에 입사하는 레이저가 음극의 온도를 변동시키기 위하여 사용되는, 극자외 방사선 생성 방법.
자유 전자 레이저(FEL) 극자외(EUV) 방사원으로서,
레이저 펄스를 방출하도록 구성되는 구동 레이저, 상기 레이저 펄스를 수광하고 전자 다발을 생성하도록 구성되는 음극, 상기 전자 다발을 가속하도록 구성되는 선형 가속기(LINAC), 및 상기 전자 다발을 수광하고 EUV 방사선 빔을 출력하도록 구성되는 언듈레이터를 포함하고,
FEL은, 상기 전자 다발의 전하 또는 이미턴스를 미리 결정된 범위 안에서 변동시키도록 제어 유닛에 의해 제어되는 전자 다발 전하 또는 이미턴스 변동 장치를 포함하는 이온 제거 장치를 포함하고,
상기 미리 결정된 범위는 FEL로부터 이온을 제거하지만 LINAC 내의 가속 구배의 변동을 제한하도록 선택되는, FEL EUV 방사원.
자유 전자 레이저(FEL) 극자외(EUV) 방사원으로서,
전자 다발을 가속하도록 구성되는 선형 가속기(LINAC) 및 상기 전자 다발을 수광하고 EUV 방사선 빔을 출력하도록 구성되는 언듈레이터를 포함하고,
FEL은 FEL의 빔 파이프 내로 연장되는 RF 에버네슨트(evanescent) 전자기파 또는 비팅(beating) RF 전자기파를 제공하도록 구성되는 RF 전자기파 방출기를 더 포함하는, FEL EUV 방사원.
제 12 항에 있어서,
상기 RF 전자기파 방출기는 상기 언듈레이터의 언듈레이터 모듈의 일측에 있는 빔 파이프에 연결되는, FEL EUV 방사원.
제 13 항에 있어서,
상기 언듈레이터 모듈의 반대측에 추출 전극이 제공되는, FEL EUV 방사원.
자유 전자 레이저(FEL)를 사용하여 극자외(EUV) 방사선을 생성하는 방법으로서,
전자 다발을 가속하기 위하여 전자 다발을 선형 가속기(LINAC)로 통과시키고, EUV 방사선을 생성하도록 구성되는 언듈레이터를 통한 전자 다발 경로를 따라 상기 전자 다발을 통과시키는 단계를 포함하고,
상기 방법은, FEL의 빔 파이프 내로 연장되고 빔 파이프를 따라서 이온을 밀어내는 RF 에버네슨트 전자기파 또는 비팅 RF 전자기파를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방사선 생성 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 RF 에버네슨트 전자기파 또는 비팅 RF 전자기파가 내부로 연장되는 빔 파이프는 언듈레이터 모듈 내에 위치되는, 방사선 생성 방법.
제 16 항에 있어서,
RF 에버네슨트 전자기파 또는 비팅 RF 전자기파는 이온을 상기 언듈레이터 모듈의 반대쪽 끝을 향해 밀어내는 전위를 제공하는, 방사선 생성 방법.
제 17 항에 있어서,
추출 전극이 상기 언듈레이터 모듈의 반대쪽에 제공되는, 방사선 생성 방법.
제 18 항에 있어서,
전위는 자유 전자 레이저로부터 1ms 내에 이온을 제거하도록 미리정해진 구배를 가지는, 방사선 생성 방법.
자유 전자 레이저(FEL) 방사원으로서,
전자 다발을 생성하기 위한 전자원;
상기 전자 다발을 가속하고 감속하기 위한 복수 개의 선형 가속기(LINAC);
언듈레이터로서, 동작 시에 상기 언듈레이터를 상기 전자 다발이 통과하면 원하는 파장에서 방사선이 생성되도록 구성되는, 언듈레이터; 및
상기 전자원, 복수 개의 LINAC 및 언듈레이터 사이에서 상기 전자 다발을 원하는 전자 다발 경로를 따라 유도하기 위한 복수 개의 조향 유닛을 포함하고,
상기 FEL 방사원은 동작 시에:
각각의 전자 다발이 가속 페이즈 중에 상기 전자원으로부터 전자 다발 경로를 따라 복수 개의 LINAC의 각각을 적어도 한 번 통과한 뒤, 상기 언듈레이터를 통과하고, 그리고 감속 페이즈 중에 적어도 한 번 상기 복수 개의 LINAC을 통과하게끔;
전자 다발의 가속 페이즈에서 전자 다발이 LINAC을 통과하는 것이 전자 다발의 감속 페이즈에서 전자 다발이 LINAC을 통과하는 것과 조율되어, 상기 LINAC의 에너지 복구 동작을 제공하게끔; 그리고
상기 전자 다발의 각각의 연속 쌍이 반복되는 전자 다발 시퀀스에 따라 개별 다발 간격만큼 시간 상 이격되게끔, 동작하도록 구성되며,
상기 전자원은, 상기 언듈레이터에서 이온의 클리어링을 가능하게 하기 위해 상기 전자 다발 시퀀스 내에 클리어링 갭을 제공하도록 구성되고,
상기 전자원은 클리어링 갭 시퀀스에 따라서, 복수 개의 에너지 복구 LINACS 각각에 대하여, 그리고 상기 클리어링 갭의 실질적으로 모두에 대하여:
가속 페이즈 또는 감속 페이즈에서 상기 클리어링 갭이 상기 LINAC을 각각 통과하는 것에 대하여, 상기 클리어링 갭이 감속 페이즈 또는 가속 페이즈에서 상기 LINAC을 통과하는 상기 클리어링 갭의 다른 하나와 조율되어, 상기 LINAC의 에너지 복구 동작을 유지하도록, 상기 클리어링 갭을 제공하도록 구성되며,
상기 전자 다발 시퀀스는 주기적 전자 다발 시퀀스를 포함하고, 상기 클리어링 갭은 감소된 전하를 가지는 전자 다발을 제공함으로써 제공되고,
정상 상태 이온 농도를 추가로 감소시키도록 전자 다발의 전하 또는 이미턴스(emittance)의 변동이 도입되는, 방사원.
제 20 항에 있어서,
상기 클리어링 갭은 적어도 열 배 감소된 전하를 가지는 전자 다발을 제공함으로써 제공되는, 방사원.
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