首页 / 国际专利分类库 / 电学 / 其他类目不包含的电技术 / 等离子体技术 / H05H9/00,H01H11/00,H05H13/00各组包含的各种装置的零部件 / .用于向轨道内注入粒子的装置 / 전자 주입기 및 자유 전자 레이저

전자 주입기 및 자유 전자 레이저
申请号 KR1020167018046 申请日 2014-11-27 公开(公告)号 KR1020160095094A 公开(公告)日 2016-08-10
申请人 에이에스엠엘 네델란즈 비.브이.; 发明人 니키펠로브앤드리알렉산드로비치; 버나인배딤이브겐예비치; 드자게르피에테르윌렘헤르만; 드브리즈고스찰스; 프리즌스올라브왈데마르블라디미르; 그리민크레오나르두스아드리아누스게라두스; 카탈레딕안델코; 아케르만스요한스안토니우스게라두스; 룹스트라에릭로엘로프; 엔겔렌워우테르조엡; 바르트라이즈페트러스루트게러스; 코에넨테이스요한; 옵'트루트윌헬무스패트릭엘리자베스마리아;
摘要 전자빔을제공하기위한주입기장치가제시된다. 주입기장치는전자다발을제공하기위한제 1 주입기, 및전자다발을제공하기위한제 2 주입기를포함한다. 주입기장치는전자빔이제 1 주입기에의해서만제공된전자다발을포함하는제 1 모드및 전자빔이제 2 주입기에의해서만제공된전자다발을포함하는제 2 모드에서동작가능하다.
权利要求
  • 전자빔을 제공하기 위한 주입기 장치로서,
    제 1 전자빔을 제공하기 위한 제 1 주입기; 및
    제 2 전자빔을 제공하기 위한 제 2 주입기를 포함하고,
    상기 주입기 장치는, 상기 주입기 장치로부터 출력되는 전자빔이 상기 제 1 주입기에 의해서만 제공되는 제 1 모드 및 상기 주입기 장치로부터 출력되는 전자빔이 상기 제 2 주입기에 의해서만 제공되는 제 2 모드에서 동작가능하며
    상기 주입기 장치는 재순환 전자빔(recirculating electron beam)을, 상기 제 1 주입기에 의하여 제공되는 전자빔 또는 상기 제 2 주입기에 의하여 제공되는 전자빔과 병합하도록 구성되는 병합 유닛을 더 포함하는, 주입기 장치.
  • 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 주입기는 상기 제 1 모드에서 전자빔을 생성하도록 동작가능하고, 상기 제 1 주입기는 상기 제 2 모드에서 전자빔을 생성하도록 동작가능한, 주입기 장치.
  • 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 주입기는 상기 제 1 모드에서 더 낮은 반복률로 전자 다발을 가진 전자빔을 생성하도록 동작가능하고, 상기 제 1 주입기는 상기 제 2 모드에서 더 낮은 반복률로 전자 다발을 가진 전자빔을 생성하도록 동작가능한, 주입기 장치.
  • 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주입기 장치는 적어도 하나의 조향 유닛을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 조향 유닛은 상기 제 1 주입기로부터의 전자빔이 제 1 경로를 따라 전파되는 제 1 조향 모드 및 상기 제 1 주입기로부터의 전자빔이 제 2 경로를 따라 전파되는 제 2 조향 모드를 가지는, 주입기 장치.
  • 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 조향 유닛은 상기 제 2 주입기로부터의 전자빔이 제 3 경로를 따라 전파되는 제 3 조향 모드 및 상기 제 2 주입기로부터의 전자빔이 제 4 경로를 따라 전파되는 제 4 조향 모드를 가지는, 주입기 장치.
  • 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 주입기는 상기 전자빔을 상기 제 1 경로를 따라 방출하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 조향 유닛은 상기 제 2 조향 모드에서 동작할 경우, 상기 제 1 주입기에 의하여 출력된 전자빔을 편향시켜 상기 제 2 경로를 따라 전파되게 하도록 구성되는, 주입기 장치.
  • 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 주입기는 상기 전자빔을 상기 제 3 경로를 따라 방출하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 조향 유닛은 상기 제 4 조향 모드에서 동작할 경우, 상기 제 2 주입기에 의하여 출력된 전자빔을 편향시켜 상기 제 4 경로를 따라 전파되게 하도록 구성되는, 주입기 장치.
  • 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 조향 유닛은 상기 제 1 주입기로부터의 전자빔을 조향하도록 구성되는 제 1 조향 유닛 및 상기 제 2 주입기로부터의 전자빔을 조향하도록 구성되는 제 2 조향 유닛을 포함하는, 주입기 장치.
  • 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주입기 장치는,
    적어도 하나의 빔 덤프를 더 포함하고,
    상기 제 1 경로는 상기 적어도 하나의 빔 덤프에 이르게 되는, 주입기 장치.
  • 제 9 항에 있어서,
    상기 제 3 경로는 상기 적어도 하나의 빔 덤프에 이르게 되는, 주입기 장치.
  • 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주입기 장치는,
    상기 제 1 주입기에 의하여 출력된 전자빔에 의하여 이동된 경로 및/또는 상기 제 2 주입기에 의하여 출력된 전자빔의 경로를 따라 배치되는 적어도 하나의 포커싱 유닛을 더 포함하는, 주입기 장치.
  • 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 주입기는, 상기 제 1 주입기와 상기 전자빔의 타겟 사이의 전자빔의 경로 길이가 상기 제 2 주입기와 상기 타겟 사이의 전자빔의 경로 길이보다 더 크도록 포지셔닝되고
    상기 적어도 하나의 포커싱 유닛은 상기 제 1 주입기에 의하여 출력된 전자빔의 전자 다발의 크기를 감소시키도록 구성되는, 주입기 장치.
  • 제 4 항 또는 제 4 항의 임의의 종속항에 있어서,
    상기 제 1 주입기는, 제 2 조향 모드에서 동작할 경우 상기 적어도 하나의 조향 유닛이 상기 제 1 주입기에 의하여 출력된 전자빔을 90 도 미만의 각도에 걸쳐 휘게 하도록 구성되는, 주입기 장치.
  • 제 5 항 또는 제 5 항의 임의의 종속항에 있어서,
    상기 제 2 주입기는, 제 4 조향 모드에서 동작할 경우 상기 적어도 하나의 조향 유닛이 상기 제 2 주입기에 의하여 출력된 전자빔을 90 도 미만의 각도에 걸쳐 휘게 하도록 구성되는, 주입기 장치.
  • 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주입기 장치는, 상기 제 2 주입기로부터의 전자빔의 전자 다발과 인터리빙된 상기 제 1 주입기로부터의 전자빔의 전자 다발을 포함하는 전자빔을 출력하는 제 3 모드에서 더 동작가능한, 주입기 장치.
  • 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 주입기는 제 1 공간에 제공되고, 제 2 주입기는 상기 제 1 공간으로부터 차폐되는 제 2 공간에 제공되는, 주입기 장치.
  • 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 주입기는 제 1 광전음극을 가지고 상기 제 2 주입기는 제 2 광전음극을 가지고
    상기 주입기 장치는 상기 제 1 및 제 2 광전음극 양자 모두에 레이저 방사선을 제공하도록 구성되는 단일 광전음극 구동 레이저를 포함하는, 주입기 장치.
  • 적어도 하나의 방사선 빔을 생성하도록 구성되는 자유 전자 레이저로서,
    상기 자유 전자 레이저는 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 주입기 장치를 포함하는, 자유 전자 레이저.
  • 리소그래피 시스템으로서,
    적어도 하나의 방사선 빔을 생성하도록 구성되는, 제 18 항에 따르는 자유 전자 레이저; 및
    적어도 하나의 리소그래피 장치를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 리소그래피 장치 각각은 상기 적어도 하나의 방사선 빔 중 적어도 하나를 수광하도록 구성되는, 리소그래피 시스템.
  • 제 19 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 방사선 빔은 EUV 방사선을 포함하는, 리소그래피 시스템.
  • 자유 전자 레이저로서,
    주입기 장치를 포함하고,
    상기 주입기 장치는, 각각 주입된 전자빔을 생성하도록 구성되는 제 1 전자빔 주입기 및 제 2 전자빔 주입기, 및 상기 주입된 전자빔을 가속하도록 구성되는 주입기 선형 가속기를 포함하며, 상기 주입기 선형 가속기는 에너지 회수 선형 가속기이고,
    상기 자유 전자 레이저는 제 2 선형 가속기 및 언듈레이터를 더 포함하는, 자유 전자 레이저.
  • 제 21 항에 있어서,
    상기 주입기 장치는 상기 주입기 선형 가속기의 상류에 병합 유닛을 더 포함하고,
    상기 병합 유닛은 상기 제 1 주입기로부터의 주입된 전자빔을 재순환 전자빔과 병합하는 제 1 모드에서 동작하는 것과 상기 제 2 주입기로부터의 주입된 전자빔을 상기 재순환 전자빔과 병합하는 제 2 모드에서 동작하는 것 사이에서 스위칭하도록 구성되는, 자유 전자 레이저.
  • 제 22 항에 있어서,
    상기 병합 유닛 포함은, 상기 재순환 전자빔을 제 1 각도에 걸쳐 휘게 하도록 구성되고 상기 주입된 전자빔을 제 2 의 더 큰 각도에 걸쳐 휘게 하도록 구성되는 결합 쌍극 자석(combining dipole magnet)을 포함하고,
    상기 병합 유닛은 상기 제 1 동작 모드와 제 2 동작 모드 사이에서 전환할 경우 상기 결합 쌍극 자석의 극성을 스위칭하도록 구성되는, 자유 전자 레이저.
  • 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 주입기는 상기 주입기 장치의 축의 제 1 면에 제공되고, 상기 제 2 주입기는 상기 주입기 장치의 축의 제 2 반대면에 제공되는, 자유 전자 레이저.
  • 제 24 항에 있어서,
    상기 병합 유닛은 상기 재순환 전자빔을 휘게 하는 다발압축기(chicane)로서 구성되는 복수 개의 쌍극 자석을 포함하고, 상기 쌍극 자석의 극성은 상기 재순환 전자빔에 적용되는 휨 방향을 반전시키도록 스위칭될 수 있는, 자유 전자 레이저.
  • 제 25 항에 있어서,
    상기 다발압축기는, 상기 병합 유닛이 상기 제 1 모드에서 동작할 경우, 상기 주입기 장치 축 중에서 상기 제 1 주입기와 동일한 측으로부터 상기 결합 쌍극 자석을 향해 상기 재순환 빔을 디렉팅하도록 구성되고, 상기 병합 유닛이 상기 제 2 모드에서 동작할 경우, 상기 주입기 장치 축 중에서 상기 제 2 주입기와 동일한 측으로부터 상기 결합 쌍극 자석을 향해 상기 재순환 빔을 디렉팅하도록 구성되는, 자유 전자 레이저.
  • 제 26 항에 있어서,
    상기 다발압축기는, 상기 재순환 전자빔이 상기 결합 쌍극 자석을 벗어날 때에 상기 주입기 장치 축을 따라 전파되도록, 선택된 각도 및 공간적 위치로 상기 재순환 빔을 상기 결합 쌍극 자석으로 전달하도록 구성되는, 자유 전자 레이저.
  • 제 25 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다발압축기의 쌍극 자석은 전자석인, 자유 전자 레이저.
  • 제 24 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 주입기는, 상기 병합 유닛이 상기 제 1 모드에서 동작할 경우, 상기 제 1 주입된 전자빔이 상기 결합 쌍극 자석을 벗어날 때에 상기 주입기 장치 축을 따라 전파되도록, 선택된 각도 및 공간적 위치로 상기 제 1 주입된 전자빔을 상기 결합 쌍극 자석으로 전달하도록 구성되는, 복수 개의 쌍극 자석 및 복수 개의 사극 자석을 포함하는, 자유 전자 레이저.
  • 제 29 항에 있어서,
    상기 쌍극 자석 및 사극 자석은 상기 주입기 선형 가속기 이후에 요구되는 품질의 전자 다발을 제공하도록 튜닝되는, 자유 전자 레이저.
  • 제 21 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 주입기 및 제 2 주입기는 양자 모두, 전자가 빔 덤프 내에서 방사능을 유도할 임계 에너지 미만의 에너지를 가지는 주입된 전자빔을 제공하도록 구성되는, 자유 전자 레이저.
  • 제 21 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주입기 선형 가속기는 주입된 전자빔의 에너지를 적어도 20 MeV만큼 증가시키도록 구성되는, 자유 전자 레이저.
  • 제 21 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 주입기는 제 1 공간에 제공되고, 상기 제 2 주입기는 제 2 공간에 제공되며, 각각의 공간은 전자기 방사선으로부터의 차폐를 제공하는 벽을 가지는, 자유 전자 레이저.
  • 제 21 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 선형 가속기는 에너지 회수 선형 가속기인, 자유 전자 레이저.
  • 제 21 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 선형 가속기는 상기 주입기 선형 가속기에 의한 가속 이후에 상기 전자빔의 에너지를 100 MeV 이상 증가시키도록 구성되는, 자유 전자 레이저.
  • 제 21 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자유 전자 레이저는 상기 제 2 선형 가속기 및 상기 주입기 선형 가속기를 보유하는 제 1 루프 및 상기 제 2 선형 가속기 및 상기 언듈레이터를 보유하는 제 2 루프를 포함하고, 상기 제 1 루프의 경로 길이는 상기 제 2 루프의 경로 길이와 동일한, 자유 전자 레이저.
  • 제 36 항에 있어서,
    상기 제 1 주입기 및 제 2 주입기는 각각, 전자가 상기 제 1 루프를 따라 이동하기 위하여 요구되는 시간에 대응하는 레이트에서 전자빔 클리어런스 갭(electron beam clearance gap)을 제공하도록 구성되는, 자유 전자 레이저.
  • 제 21 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 주입기 및 상기 제 2 주입기는 상기 제 2 선형 가속기 및 상기 언듈레이터 위에 있는 공간에 제공되는, 자유 전자 레이저.
  • 자유 전자 레이저를 사용하여 방사선 빔을 생성하는 방법으로서,
    제 1 전자빔 주입기를 사용하여 주입된 전자빔을 생성하고 상기 주입된 전자빔을 재순환 전자빔과 결합시키거나, 제 2 전자빔 주입기를 사용하여 주입된 전자빔을 생성하고 상기 주입된 전자빔을 상기 재순환 전자빔과 결합시키는 단계
    주입기 선형 가속기를 사용하여, 상기 재순환 전자빔으로부터의 에너지를 상기 주입된 전자빔으로 전달하여 상기 주입된 전자빔의 에너지를 증가시키는 단계
    제 2 선형 가속기를 사용하여 상기 주입된 전자빔의 에너지를 더 증가시키는 단계 및
    언듈레이터를 사용하여 상기 전자빔의 사용에 의해 방사선 빔을 생성하는 단계를 포함하는, 방사선 빔 생성 방법.
  • 전자 주입기로서,
    광전음극을 지지하도록 구성되는 지지 구조체
    방사원으로부터의 방사선의 빔을 상기 광전음극의 영역으로 디렉팅함으로써 상기 광전음극이 전자들의 빔을 방출하게 하도록 구성되는 빔 전달 시스템
    상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 상기 광전음극의 영역을 변경하도록 동작가능한 조절 메커니즘; 및
    전자들이 상기 전자 주입기의 축과 실질적으로 일치하게 되도록, 전자들의 빔의 궤적을 변경하게끔 전자들의 빔에 힘을 인가하도록 동작가능한 조향 유닛을 포함하는, 전자 주입기.
  • 제 40 항에 있어서,
    상기 조향 유닛은 하나 이상의 전자석을 포함하는, 전자 주입기.
  • 제 40 항 또는 제 41 항에 있어서,
    상기 조향 유닛은 상기 전자 주입기의 전자 부스터의 하류에 있는, 전자 주입기.
  • 제 40 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 상기 광전음극의 영역은 상기 전자 주입기의 축으로부터 분리되는, 전자 주입기.
  • 제 40 항 내지 제 43 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은, 상기 방사선 빔이 상기 광전음극에 입사할 경우 상기 광전음극과 수직이 되지 않도록 구성되는, 전자 주입기.
  • 제 40 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조절 메커니즘은 상기 빔 전달 시스템 내에 방사선 빔 조절 유닛을 포함하고, 상기 방사선 빔 조절 유닛은 상기 방사선 빔의 하나 이상의 속성을 변경하도록 동작가능한, 전자 주입기.
  • 제 45 항에 있어서,
    상기 방사선 빔 조절 유닛은 상기 방사선 빔의 전파 방향을 변경하도록 동작가능한, 전자 주입기.
  • 제 40 항 내지 제 46 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 상기 방사선 빔을 광전음극의 영역으로 반사하도록 구성되는 미러를 포함하고, 상기 조절 메커니즘은 상기 미러의 위치 및/또는 방위를 변경하도록 동작가능한 액츄에이터를 포함하는, 전자 주입기.
  • 제 45 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조절 메커니즘은 상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 형상을 제어하도록 동작가능한, 전자 주입기.
  • 제 48 항에 있어서,
    상기 조절 메커니즘은, 상기 조향 유닛이 전자들의 빔에 힘을 인가한 이후에 조명된 영역으로부터 방출된 전자들의 빔이 하나 이상의 요구되는 속성을 가지도록, 상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 형상을 제어하도록 동작가능한, 전자 주입기.
  • 제 40 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조절 메커니즘은 상기 광전음극의 위치 및/또는 방위를 변경하도록 동작가능한 액츄에이터를 포함하는, 전자 주입기.
  • 제 50 항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 상기 광전음극을 회전시키도록 동작가능한, 전자 주입기.
  • 제 40 항 내지 제 51 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 주입기는 제어기를 더 포함하고,
    상기 제어기는 상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 변경을 제어하기 위하여 상기 조절 메커니즘을 제어하도록 동작가능한, 전자 주입기.
  • 제 40 항 내지 제 52 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조향 유닛은 상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역에 응답하여 전자들의 빔에 인가되는 힘을 조절하도록 동작가능한, 전자 주입기.
  • 제 52 항을 인용하는 경우 제 53 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 변동에 응답하여 전자들의 빔에 인가되는 힘의 조절을 제어하는, 전자 주입기.
  • 제 40 항 내지 제 54 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 주입기는 전자들의 빔의 하나 이상의 속성을 측정하도록 동작가능한 전자빔 측정 디바이스를 더 포함하는, 전자 주입기.
  • 제 55 항에 있어서,
    상기 조향 유닛은, 전자들의 빔의 하나 이상의 속성의 측정에 응답하여 전자들의 빔에 인가되는 힘을 조절하도록 동작가능한, 전자 주입기.
  • 제 40 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사원은 레이저이고 상기 방사선의 빔은 레이저 빔인, 전자 주입기.
  • 제 57 항에 있어서,
    상기 레이저는 피코초 레이저인, 전자 주입기.
  • 제 40 항 내지 제 58 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자들의 빔은 전자의 복수 개의 다발을 포함하는, 전자 주입기.
  • 제 40 항 내지 제 59 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 주입기는 전자들의 빔을 가속하도록 동작가능한 전자 부스터를 더 포함하는, 전자 주입기.
  • 제 40 항 내지 제 60 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축은 상기 전자 주입기로부터 출력되는 전자들의 빔의 요구되는 궤적을 나타내는, 전자 주입기.
  • 제 40 항 내지 제 61 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 구조체는 전자총 내에 수용되고,
    상기 전자 주입기는 상기 전자총의 위치 및/또는 방위를 조절하도록 동작가능한 액츄에이터를 더 포함하는, 전자 주입기.
  • 제 62 항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역에 있어서의 변동에 응답하여 상기 전자총의 위치 및/또는 방위를 조절하도록 동작가능한, 전자 주입기.
  • 자유 전자 레이저로서,
    제 40 항 내지 제 63 항 중 어느 한 항의 전자 주입기
    전자들의 빔을 상대론적 속도(relativistic speed)까지 가속하도록 동작가능한 입자 가속기 및
    상대론적 전자가 발진 경로를 따라가게 하여 상대론적 전자가 코히어런트 방사선의 방출을 자극하게 하도록 동작가능한 언듈레이터를 포함하는, 자유 전자 레이저.
  • 제 64 항에 있어서,
    상기 언듈레이터는 상대론적 전자가 EUV 방사선을 방출하게 하도록 구성되는, 자유 전자 레이저.
  • 제 64 항 또는 제 65 항에 있어서,
    상기 입자 가속기는 선형 가속기인, 자유 전자 레이저.
  • 제 66 항에 있어서,
    상기 선형 가속기는 에너지 회수 선형 가속기이고,
    상기 자유 전자 레이저는 상기 전자 주입기로부터 출력되는 전자빔을 재순환 전자빔과 결합하도록 구성되는 병합 유닛을 더 포함하는, 자유 전자 레이저.
  • 리소그래피 시스템으로서,
    제 64 항 내지 제 67 항 중 어느 한 항에 청구되는 바와 같은 자유 전자 레이저; 및
    하나 이상의 리소그래피 장치를 포함하는, 리소그래피 시스템.
  • 전자 주입기를 사용하여 전자빔을 생성하는 방법으로서,
    방사선의 빔을 광전음극의 영역 상으로 디렉팅하여, 상기 광전음극이 전자들의 빔을 방출하게 하는 단계
    상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역을 변경하는 단계 및
    전자들이 상기 전자 주입기의 축과 실질적으로 일치하게 되도록, 전자들의 빔의 궤적을 변경하게끔 전자들의 빔에 힘을 인가하는 단계를 포함하는, 전자 빔 생성 방법.
  • 제 69 항에 있어서,
    상기 전자들의 빔에 힘을 인가하는 단계는, 하나 이상의 전자석을 사용하여 전자들의 빔의 궤적을 변경하도록 자기장을 생성하는 단계를 포함하는, 전자 빔 생성 방법.
  • 제 69 항 또는 제 70 항에 있어서,
    상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역은 상기 전자 주입기의 축으로부터 분리되는, 전자 빔 생성 방법.
  • 제 69 항 내지 제 71 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역을 변경하는 단계는, 상기 방사선 빔의 하나 이상의 속성을 변경하는 단계를 포함하는, 전자 빔 생성 방법.
  • 제 69 항 내지 제 72 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역을 변경하는 단계는, 광전음극의 위치 및/또는 방위를 변경하는 단계를 포함하는, 전자 빔 생성 방법.
  • 제 73 항에 있어서,
    상기 광전음극의 위치 및/또는 방위를 변경하는 상기 단계는, 상기 광전음극을 회전시키는 단계를 포함하는, 전자 빔 생성 방법.
  • 제 69 항 내지 제 74 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 변화에 응답하여 상기 전자들의 빔에 인가되는 힘을 조절하는 단계를 더 포함하는, 전자 빔 생성 방법.
  • 제 69 항 내지 제 75 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자들의 빔의 하나 이상의 속성을 측정하는 단계를 더 포함하는, 전자 빔 생성 방법.
  • 제 76 항에 있어서,
    상기 전자들의 빔의 하나 이상의 속성의 측정에 응답하여 상기 전자들의 빔에 인가되는 힘을 조절하는 단계를 더 포함하는, 전자 빔 생성 방법.
  • 제 69 항 내지 제 77 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 형상을 제어하는 단계를 더 포함하는, 전자 빔 생성 방법.
  • 제 78 항에 있어서,
    상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 형상은, 조명된 영역으로부터 방출된 전자들의 빔이 상기 전자들의 빔에 힘이 인가된 이후에 하나 이상의 요구되는 속성을 가지도록 제어되는, 전자 빔 생성 방법.
  • 제 69 항 내지 제 79 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자들의 빔은 전자들의 복수 개의 다발을 포함하는, 전자 빔 생성 방법.
  • 제 69 항 내지 제 80 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축은 상기 전자 주입기로부터 출력되는 전자들의 빔의 요구되는 궤적을 나타내는, 전자 빔 생성 방법.
  • 방사선 생성 방법으로서,
    제 69 항 내지 제 81 항 중 어느 한 항의 방법에 따라서 전자빔을 생성하는 단계
    전자들의 빔을 상대론적 속도까지 가속하는 단계 및
    상대론적 전자가 발진 경로를 따라가게 하여 상대론적 전자가 코히어런트 방사선의 방출을 자극하도록 하는 단계를 포함하는, 방사선 생성 방법.
  • 제 82 항에 있어서,
    상기 상대론적 전자는 EUV 방사선의 방출을 자극하게 되는, 방사선 생성 방법.
  • 광전음극으로서,
    공동이 형성되는 기판; 및
    상기 기판에 배치된 재료의 막을 포함하고,
    상기 재료의 막은 방사선의 빔에 의하여 조명될 때 전자를 방출하도록 구성되는 전자 방출면을 포함하고, 상기 전자 방출면은 상기 공동으로부터 상기 재료의 막의 반대면에 있는, 광전음극.
  • 제 84 항에 있어서,
    상기 광전음극은 상기 광전음극의 동작 도중에 이온을 수용할 충돌 영역을 포함하는, 광전음극.
  • 제 85 항에 있어서,
    상기 기판의 공동은 상기 충돌 영역과 실질적으로 정렬되는, 광전음극.
  • 제 84 항 내지 제 86 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 방출면과 상기 공동 사이에 배치되는 광전음극의 부분의 두께는, 상기 광전음극의 상기 부분에 입사하는 양이온의 대부분이 상기 광전음극의 해당 부분을 지나 상기 공동 내로 통과하도록 충분히 얇은, 광전음극.
  • 제 87 항에 있어서,
    상기 전자 방출면과 상기 공동 사이에 배치된 상기 광전음극의 부분의 두께는 10 마이크론 미만인, 광전음극.
  • 제 84 항 내지 제 88 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전음극은, 상기 광전음극이 소정 전압으로 유지될 경우 상기 광전음극에 인가되는 정전기 압력에 의하여 야기되는 광전음극의 변형 이후에 요구되는 형상을 가지도록 구성되는, 광전음극.
  • 제 89 항에 있어서,
    상기 광전음극은, 상기 광전음극의 변형 이후에, 상기 광전음극에 인가된 전압과 연관된 전기력선이 실질적으로 균일게 되도록 구성되는, 광전음극.
  • 제 89 항 또는 제 90 항에 있어서,
    상기 기판은 기판 내에 함몰부(indentation)를 포함하는, 광전음극.
  • 제 89 항 내지 제 91 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 공동은 챔퍼(chamfer)를 포함하는, 광전음극.
  • 제 84 항 내지 제 92 항 중 어느 한 항에있어서,
    상기 기판은 하나 이상의 립(rib)을 포함하는, 광전음극.
  • 제 93 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 립은 상기 광전음극이 소정 전압으로 유지될 경우 상기 광전음극에 인가되는 정전기 압력에 저항하게 하기 위해 상기 광전음극을 강화시키도록 구성되는, 광전음극.
  • 제 93 항 또는 제 94 항에 있어서,
    상기 립은 벌집 구조로 배치되는, 광전음극.
  • 제 93 항 내지 제 95 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 립은 약 1 마이크론 미만의 두께를 가지는, 광전음극.
  • 제 84 항 내지 제 96 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘을 포함하는, 광전음극.
  • 제 84 항 내지 제 97 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료의 막은 하나 이상 알칼리 금속을 포함하는, 광전음극.
  • 제 98 항에 있어서,
    상기 재료의 막은 나트륨 칼륨 안티몬화물(sodium potassium antimonide)을 포함하는, 광전음극.
  • 전자 주입기로서,
    방사원으로부터 방사선의 빔을 수광하도록 구성되는, 제 84 항 내지 제 99 항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 광전음극; 및
    상기 광전음극으로부터 방출된 전자들의 빔을 가속하도록 동작가능한 전자 부스터를 포함하는, 전자 주입기.
  • 자유 전자 레이저로서,
    제 100 항의 전자 주입기
    전자들의 빔을 상대론적 속도까지 가속하도록 동작가능한 선형 가속기; 및
    상대론적 전자가 발진 경로를 따라가게 하여 상대론적 전자가 코히어런트 방사선의 방출을 자극하게 하도록 동작가능한 언듈레이터를 포함하는, 자유 전자 레이저.
  • 제 101 항에 있어서,
    상기 언듈레이터는 전자가 EUV 방사선을 방출하게 하도록 구성되는, 자유 전자 레이저.
  • 제 101 항 또는 제 102 항에 있어서,
    상기 선형 가속기는 에너지 회수 선형 가속기이고,
    상기 자유 전자 레이저는 상기 전자 주입기로부터 출력되는 전자빔을 재순환 전자빔과 결합하도록 구성되는 병합 유닛을 더 포함하는, 자유 전자 레이저.
  • 리소그래피 시스템으로서,
    제 101 항 내지 제 103 항 중 어느 한 항에 청구되는 바와 같은 자유 전자 레이저; 및
    하나 이상의 리소그래피 장치를 포함하는, 리소그래피 시스템.
  • 전자빔 생성 방법으로서,
    방사선의 빔이 광전음극의 영역에 입사하도록 디렉팅하여 상기 광전음극이 전자들의 빔을 방출하게 하는 단계를 포함하고,
    상기 광전음극은 공동이 형성되는 기판 및 상기 기판에 배치된 재료의 막을 포함하며,
    상기 재료의 막은 상기 방사선의 빔에 의하여 조명될 때 전자 방출면으로부터 전자를 방출하도록 구성되고,
    상기 전자 방출면은 상기 공동으로부터 상기 재료의 막의 반대면에 있는, 전자 빔 생성 방법.
    • 说明书全文

    전자 주입기 및 자유 전자 레이저{ELECTRON INJECTOR AND FREE ELECTRON LASER}

    관련 출원에 대한 상호 참조

    본 출원은 2013 년 12 월 5 일자로 출원된 유럽 특허출원 제 13195806.8 호, 2014 년 2 월 21 일자로 출원된 유럽 특허출원 제 14156258.7 호, 및 2013 년 12 월 12 일자로 출원된 유럽 특허출원 제 13196853.9 호에 관련되며, 이들은 그 전체가 본 명세서에 원용에 의해 통합된다.

    본 발명은 전자빔을 자유 전자 레이저로 제공하기 위한 전자 주입기에 관한 것이다. 전자 주입기는 주입기 장치의 일부를 형성할 수 있다. 자유 전자 레이저는 리소그래피 장치에 사용될 방사선을 생성하기 위하여 사용될 수 있다.

    리소그래피 장치는 원하는 패턴을 기판에 적용하도록 구성된 기계이다. 리소그래피 장치는 예컨대 집적회로(IC)의 제조 시에 사용될 수 있다. 리소그래피 장치는 예를 들어 패터닝 디바이스(예를 들어 마스크)로부터의 투영 패턴을 기판 위에 제공된 방사선-감응 재료(레지스트)의 층에 투영시킬 수 있다.

    기판 위에 패턴을 투영시키기 위하여 방사선 리소그래피 장치에 의하여 사용되는 방사선의 파장이 해당 기판 위에 형성될 수 있는 피쳐의 최소 크기를 결정한다. 5 - 20 nm의 범위에 속하는 파장을 가지는 전자기 방사선인 EUV 방사선을 사용하는 리소그래피 장치는, 종래의 리소그래피 장치(예를 들어 193 nm의 파장을 가지는 전자기 방사선을 사용할 수 있음)보다 더 작은 피쳐를 전자기 위에 형성하기 위해 사용될 수 있다.

    하나 이상의 리소그래피 장치에서 사용될 EUV 방사선은 자유 전자 레이저에 의하여 생성될 수 있다. 자유 전자 레이저는 전자빔을 제공하는 적어도 하나의 전자 주입기 장치를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 주입기 장치를 포함할 수 있다.

    본 발명의 목적은 종래 기술과 관련되는 하나 이상의 문제점을 없애거나 완화시키는 것이다.

    본 발명의 제 1 양태에 따르면, 전자빔을 제공하기 위한 주입기 장치로서, 제 1 전자빔을 제공하기 위한 제 1 주입기, 및 제 2 전자빔을 제공하기 위한 제 2 주입기를 포함하고, 상기 주입기 장치는, 상기 주입기 장치로부터 출력되는 전자빔이 상기 제 1 주입기에 의해서만 제공되는 제 1 모드 및 상기 주입기 장치로부터 출력되는 전자빔이 상기 제 2 주입기에 의해서만 제공되는 제 2 모드에서 동작가능하며, 상기 주입기 장치는 재순환 전자빔(recirculating electron beam)을, 상기 제 1 주입기에 의하여 제공되는 전자빔 또는 상기 제 2 주입기에 의하여 제공되는 전자빔과 병합하도록 구성되는 병합 유닛을 더 포함하는, 주입기 장치가 제공된다.

    이러한 방식으로 주입기는 제 1 및 제 2 주입기 중 하나가 작동하지 않는 경우에도 전자빔을 제공할 수 있다. 그러면 주입기에 고장이 발생하더라도 전자빔을 수신하는 자유 전자 레이저와 같은 장치에 고장이 발생하지 않도록 보장한다. 더 나아가, 제 1 양태의 주입기 장치는 주입기 장치의 동작을 전체적으로 유지하면서 제 1 및 제 2 주입기 주 하나에 유지보수를 수행할 수 있다.

    제 2 주입기는 제 1 모드에서 전자빔을 생성하도록 동작가능할 수 있다. 제 1 주입기는 제 2 모드에서 전자빔을 생성하도록 동작가능할 수 있다.

    제 2 주입기는 제 1 모드에서 더 낮은 반복률로 전자 다발을 가진 전자빔을 생성하도록 동작가능할 수 있다. 제 1 주입기는 제 2 모드에서 더 낮은 반복률로 전자 다발을 가진 전자빔을 생성하도록 동작가능할 수 있다. 예를 들어, 전자빔을 자유 전자 레이저로 제공하지 않는 주입기는 전자빔을 제공하고 있는 주입기와 동일한 전하를 가지는 전자 다발을 생성할 수 있지만, 매우 낮은 반복률(또는 듀티 사이클)에서 생성할 수 있다.

    주입기 장치는 적어도 하나의 조향 유닛을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 조향 유닛은 상기 제 1 주입기로부터의 전자빔이 제 1 경로를 따라 전파되는 제 1 조향 모드 및 상기제 1 주입기로부터의 전자빔이 제 2 경로를 따라 전파되는 제 2 조향 모드를 가질 수 있다.

    상기 적어도 하나의 조향 유닛은 상기 제 2 주입기로부터의 전자빔이 제 3 경로를 따라 전파되는 제 3 조향 모드 및 상기 제 2 주입기로부터의 전자빔이 제 4 경로를 따라 전파되는 제 4 조향 모드를 포함할 수 있다.

    제 2 및 제 4 경로는, 예를 들어 전자빔이 따라가는 경로와 만날 수 있는 반면에 제 1 및 제 3 경로는 전자빔이 따라가는 경로와 만나지 않을 수 있다. 이러한 방식으로, 적어도 하나의 조향 유닛이 제 2 조향 모드 및 제 3 조향 모드 양자 모두에서 동작하고 있을 경우, 주입기 장치는 제 1 모드에서 동작한다. 반대로, 적어도 하나의 조향 유닛이 제 1 조향 모드 및 제 4 조향 모드 양자 모두에서 동작하고 있을 경우, 주입기 장치는 제 2 모드에서 동작한다.

    상기 제 1 주입기는 상기 전자빔을 상기 제 1 경로를 따라 방출하도록 구성될 수 있고, 상기 적어도 하나의 조향 유닛은 상기 제 2 조향 모드에서 동작할 경우 상기 제 1 주입기에 의하여 출력된 전자빔을 편향시켜 상기 제 2 경로를 따라 전파되게 하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 제 1 모두에서 동작할 경우에 제 1 주입기에 의하여 방출된 전자빔의 능동 조향이 요구되지 않을 수도 있다.

    상기 제 2 주입기는 상기 전자빔을 상기 제 3 경로를 따라 방출하도록 구성될 수 있고, 상기 적어도 하나의 조향 유닛은 상기 제 4 조향 모드에서 동작할 경우, 상기 제 2 주입기에 의하여 출력된 전자빔을 편향시켜 상기 제 4 경로를 따라 전파되게 하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 제 3 모두에서 동작할 경우에 제 2 주입기에 의하여 방출된 전자빔의 능동 조향이 요구되지 않을 수도 있다.

    상기 적어도 하나의 조향 유닛은 상기 제 1 주입기로부터의 전자빔을 조향하도록 구성되는 제 1 조향 유닛 및 상기 제 2 주입기로부터의 전자빔을 조향하도록 구성되는 제 2 조향 유닛을 포함할 수 있다. 제 1 조향 유닛은 제 1 조향 모드와 제 2 조향 모드 사이에서 독립적으로 스위칭가능할 수 있고, 제 2 조향 유닛은 제 3 조향 모드와 제 4 조향 모드 사이에서 독립적으로 스위칭가능할 수 있다.

    상기 주입기 장치는 적어도 하나의 빔 덤프를 더 포함할 수 있고, 상기 제 1 경로는 상기 적어도 하나의 빔 덤프에 이르게 된다. 제 3 경로는 또한 상기 적어도 하나의 빔 덤프에 이르게 될 수 있다. 이러한 방식으로, 제 1 주입기들 중 어느 하나 또는 양자 모두가 전자빔을 빔 덤프의 방향으로 방출하도록 구성되어, 각각의 주입기에 의하여 방출된 전자빔이 빔 덤프로 능동적으로 조향될 필요가 없게 할 수도 있다. 빔 덤프가 여러 방향으로부터(예를 들어 제 1 및 제 3 경로 양자 모두로부터) 전자를 수광하는 것이 가능할 수 있기 때문에, 이러한 장치는 특히 효율적일 수 있다. 반대로, 전자빔의 타겟은 전자빔을 단일 방향으로부터 수광하는 것이 가능할 수도 있다.

    주입기 장치는 전자빔을 자유 전자 레이저의 선형 가속기를 향해 디렉팅하도록 구성될 수 있다. 제 3 조향 유닛은 주입기 장치와 선형 가속기 사이에 배치될 수 있고, 제 3 조향 유닛은 전자빔을 선형 가속기를 향해 지향하도록 구성된다.

    제 3 조향 유닛은 주입기 장치에 의하여 제공된 전자빔을 자유 전자 레이저 내에서 전파하는 전자빔과 병합하도록 구성되는 병합 유닛일 수 있다. 예를 들어, 주입기 장치가 ERL FEL과 함께 사용되는 경우, 병합 유닛은 주입기 장치에 의하여 제공된 전자빔을 선형 가속기를 통해서 이미 전파된 전자빔과 병합할 수 있다.

    상기 주입기 장치는, 상기 제 1 주입기에 의하여 출력된 전자빔에 의하여 이동된 경로 및/또는 상기 제 2 주입기에 의하여 출력된 전자빔의 경로를 따라 배치되는 적어도 하나의 포커싱 유닛을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 제 1 및 제 2 주입기에 의하여 제공된 전자빔의 전자 다발 내의 전하 분포의 변동이 완화될 수 있다.

    상기 제 1 주입기는, 상기 제 1 주입기와 상기 전자빔의 타겟 사이의 전자빔의 경로 길이가 상기 제 2 주입기와 상기 타겟 사이의 전자빔의 경로 길이보다 더 크도록 포지셔닝될 수 있다 그리고 상기 적어도 하나의 포커싱 유닛은 상기 제 1 주입기에 의하여 출력된 전자빔의 전자 다발의 크기를 감소시키도록 구성된다.

    상기 제 1 주입기는, 제 2 조향 모드에서 동작할 경우 상기 적어도 하나의 조향 유닛이 상기 제 1 주입기에 의하여 출력된 전자빔을 90 도 미만의 각도에 걸쳐 휘게 하도록 구성될 수 있다.

    상기 제 2 주입기는, 제 4 조향 모드에서 동작할 경우 상기 적어도 하나의 조향 유닛이 상기 제 2 주입기에 의하여 출력된 전자빔을 90 도 미만의 각도에 걸쳐 휘게 하도록 구성될 수 있다.

    상기 주입기 장치는, 상기 주입기 장치가 상기 제 2 주입기로부터의 전자빔의 전자 다발과 인터리빙된 상기 제 1 주입기로부터의 전자빔의 전자 다발을 포함하는 전자빔을 출력하는 제 3 모드에서 더 동작가능할 수 있다. 이러한 방식으로, 각각의 주입기는, 예를 들어 하나의 주입기가 독자적으로 전자빔을 제공하기 위하여 필요한 반복률의 절반인 반복률에서 동작할 수 있다. 이러한 방식으로, 각각의 주입기가 적게 마모된다.

    제 1 주입기는 제 1 공간에 제공될 수 있고, 제 2 주입기는 상기 제 1 공간으로부터 차폐되는 제 2 공간에 제공될 수 있다.

    주입기 장치는 제 1 주입기와 제 2 주입기 사이에 방사선 쉴딩(radiation shielding)을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 하나의 주입기가 전자빔을 제공하는 동안 다른(동작하지 않는) 주입기에 유지보수 또는 다른 작업이 안전하게 수행될 수 있다.

    제 1 주입기는 제 1 광전음극을 포함할 수 있고 제 2 주입기는 제 2 광전음극을 포함할 수 있다. 주입기 장치는 레이저 방사선을 제 1 및 제 2 광전음극 양자 모두로 제공하도록 구성되는 단일 광전음극 구동 레이저를 포함할 수 있다.

    제 2 양태에 따르면, 적어도 하나의 방사선 빔을 생성하도록 구성되며 제 1 양태의 주입기 장치를 포함하는 자유 전자 레이저가 제공된다.

    자유 전자 레이저는 병합 유닛을 포함할 수 있는데, 주입기 장치는 전자빔을 병합 유닛으로 제공하도록 구성된다.

    본 발명의 일 양태에 따르면, 적어도 하나의 방사선 빔을 생성하도록 구성되는, 제 2 양태에 따르는 자유 전자 레이저 및 적어도 하나의 리소그래피 장치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 리소그래피 장치 각각은 상기 적어도 하나의 방사선 빔 중 적어도 하나를 수광하도록 구성되는, 리소그래피 시스템이 제공된다. 적어도 하나 방사선 빔은 EUV 방사선을 포함할 수 있다.

    적어도 하나의 리소그래피 장치는 하나 이상의 마스크 검사 장치를 포함할 수 있다.

    본 발명의 제 4 양태에 따르면, 각각 주입된 전자빔을 생성하도록 구성되는 제 1 전자빔 주입기 및 제 2 전자빔 주입기, 및 상기 주입된 전자빔을 가속하도록 구성되는 주입기 선형 가속기를 포함하고, 상기 주입기 선형 가속기는 에너지 회수 선형 가속기인 주입기 장치 및 제 2 선형 가속기 및 언듈레이터를 더 포함하는 자유 전자 레이저를 포함하는, 자유 전자 레이저가 제공된다.

    주입기 선형 가속기를 에너지 회수 선형 가속기로서 제공하면, 에너지의 오직 제한된 양만이(에너지 회수를 사용하지 않는 선형 가속기를 사용하는 경우와 비교할 때) 사용되도록 요구하면서 에너지가 주입된 전자빔으로 제공되어 전자를 가속하고 공간 전하 효과에 덜 민감하게 하기 때문에 유리하다. 공간 전하 효과를 감소시키면 더 높은 품질의 전자 다발이 제 2 선형 가속기로 전달되게 한다.

    주입기 장치는 병합 유닛을 더 포함할 수 있다. 병합 유닛은 상기 주입기 선형 가속기의 상류에 위치할 수 있고, 상기 제 1 주입기로부터의 주입된 전자빔을 재순환 전자빔과 병합하는 제 1 모드에서 동작하는 것과 상기 제 2 주입기로부터의 주입된 전자빔을 상기 재순환 전자빔과 병합하는 제 2 모드에서 동작하는 것 사이에서 스위칭하도록 구성될 수 있다.

    병합 유닛은 재순환 전자빔을 제 1 각도에 걸쳐 휘게 하도록 구성되고 주입된 전자빔을 제 2 의 더 큰 각도에 걸쳐 휘게 하도록 구성되는 결합 쌍극 자석을 포함할 수 있다. 병합 유닛은 제 1와 제 2 동작 모드 사이에서 변동할 경우 결합 쌍극 자석의 극성을 스위칭하도록 구성될 수 있다.

    상기 제 1 주입기는 상기 주입기 장치의 축의 제 1 면에 제공될 수 있고, 상기 제 2 주입기는 상기 주입기 장치의 축의 제 2 반대면에 제공될 수 있다.

    상기 병합 유닛은 상기 재순환 전자빔을 휘게 하는 다발압축기(chicane)로서 구성되는 복수 개의 쌍극자 자석을 포함할 수 있고, 상기 쌍극자 자석의 극성은 상기 재순환 전자빔에 적용되는 휨 방향을 반전시키도록 스위칭될 수 있다.

    상기 다발압축기는, 상기 병합 유닛이 상기 제 1 모드에서 동작할 경우, 상기 주입기 장치 축 중에서 상기 제 1 주입기와 동일한 측으로부터 상기 결합 쌍극 자석을 향해 상기 재순환 빔을 디렉팅하도록 구성될 수 있고, 상기 병합 유닛이 상기 제 2 모드에서 동작할 경우, 상기 주입기 장치 축 중에서 상기 제 2 주입기와 동일한 측으로부터 상기 결합 쌍극 자석을 향해 상기 재순환 빔을 디렉팅하도록 구성된다.

    상기 다발압축기는, 상기 재순환 전자빔이 상기 결합 쌍극 자석을 벗어날 때에 상기 주입기 장치 축을 따라 전파되도록, 선택된 각도 및 공간적 위치로 상기 재순환 빔을 상기 결합 쌍극 자석으로 전달하도록 구성될 수 있다.

    다발압축기의 쌍극 자석은 전자석일 수 있다.

    상기 제 1 주입기는, 상기 병합 유닛이 상기 제 1 모드에서 동작할 경우, 상기 제 1 주입된 전자빔이 상기 결합 쌍극 자석을 벗어날 때에 상기 주입기 장치 축을 따라 전파되도록, 선택된 각도 및 공간적 위치로 상기 제 1 주입된 전자빔을 상기 결합 쌍극 자석으로 전달하도록 구성되는, 복수 개의 쌍극 자석 및 복수 개의 사극 자석을 포함할 수 있다.

    상기 제 2 주입기는, 상기 병합 유닛이 상기 제 2 모드에서 동작할 경우, 상기 제 2 주입된 전자빔이 상기 결합 쌍극 자석을 벗어날 때에 상기 주입기 장치 축을 따라 전파되도록, 선택된 각도 및 공간적 위치로 상기 제 2 주입된 전자빔을 상기 결합 쌍극 자석으로 전달하도록 구성되는, 복수 개의 쌍극 자석 및 복수 개의 사극 자석을 포함할 수 있다.

    상기 쌍극 자석 및 사극 자석은 상기 주입기 선형 가속기 이후에 요구되는 품질의 전자 다발을 제공하도록 튜닝될 수 있다.

    상기 제 1 주입기 및 제 2 주입기는 양자 모두, 전자가 빔 덤프 내에서 방사능을 유도할 임계 에너지 미만의 에너지를 가지는 주입된 전자빔을 제공하도록 구성될 수 있다.

    주입기 선형 가속기는 주입된 전자빔의 에너지를 적어도 20 MeV만큼 증가시키도록 구성될 수 있다.

    상기 제 1 주입기는 제 1 공간에 제공될 수 있고, 상기 제 2 주입기는 제 2 공간에 제공될 수 있으며, 각각의 공간은 전자기 방사선으로부터의 차폐를 제공하는 벽을 가진다.

    제 2 선형 가속기는 에너지 회수 선형 가속기일 수 있다.

    상기 제 2 선형 가속기는 상기 주입기 선형 가속기에 의한 가속 이후에 상기 전자빔의 에너지를 100 MeV 이상 증가시키도록 구성될 수 있다.

    자유 전자 레이저는 제 2 선형 가속기 및 주입기 선형 가속기를 보유하는 제 1 루프 및 제 2 선형 가속기 및 언듈레이터를 보유하는 제 2 루프를 포함할 수 있다. 제 1 루프의 경로 길이는 제 2 루프의 경로 길이와 동일할 수 있다.

    상기 제 1 주입기 및 제 2 주입기는 각각, 전자가 상기 제 1 루프를 따라 이동하기 위하여 요구되는 시간에 대응하는 레이트에서 전자빔 클리어런스 갭(electron beam clearance gap)을 제공하도록 구성될 수 있다.

    제 1 주입기 및 제 2 주입기는 제 2 선형 가속기 및 언듈레이터 위에 있는 공간에 제공될 수 있다.

    본 발명의 제 5 양태에 따르면, 자유 전자 레이저를 사용하여 방사선 빔을 생성하는 방법으로서, 제 1 전자빔 주입기를 사용하여 주입된 전자빔을 생성하고 상기 주입된 전자빔을 재순환 전자빔과 결합시키거나, 제 2 전자빔 주입기를 사용하여 주입된 전자빔을 생성하고 상기 주입된 전자빔을 상기 재순환 전자빔과 결합시키는 단계, 주입기 선형 가속기를 사용하여, 상기 재순환 전자빔으로부터의 에너지를 상기 주입된 전자빔으로 전달하여 상기 주입된 전자빔의 에너지를 증가시키는 단계, 제 2 선형 가속기를 사용하여 상기 주입된 전자빔의 에너지를 더 증가시키는 단계, 및 언듈레이터를 사용하여 상기 전자빔의 사용에 의해 방사선 빔을 생성하는 단계를 포함하는, 방사선 빔 생성 방법이 제공된다.

    본 발명의 제 6 양태에 따르면, 전자 주입기로서, 광전음극을 지지하도록 구성되는 지지 구조체, 방사원으로부터의 방사선의 빔을 상기 광전음극의 영역으로 디렉팅함으로써 상기 광전음극이 전자들의 빔을 방출하게 하도록 구성되는 빔 전달 시스템, 상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 상기 광전음극의 영역을 변경하도록 구성되는 조절 메커니즘, 및 전자들이 상기 전자 주입기의 축과 실질적으로 일치하게 되도록, 전자들의 빔의 궤적을 변경하게끔 전자들의 빔에 힘을 인가하도록 동작가능한 조향 유닛을 포함하는, 전자 주입기가 제공된다.

    방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역은 사용 도중에 손상될 수 있다. 예를 들면, 시간이 지남에 따라서 해당 영역으로부터 방출된 전자빔의 피크 전류가 감소하거나 및/또는 전자빔의 이미턴스가 증가할 수 있다. 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역을 변경하면, 전자빔이 방출되는 광전음극의 영역이 광전음극 주위로 이동될 수 있다. 따라서, 광전음극의 수명에 걸쳐 전자를 방출하기 위하여 광전음극의 더 큰 범위를 이용함으로써, 광전음극의 유효 수명이 연장된다.

    방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역을 변경하면, 광전음극으로부터 방출된 전자들의 빔을 전자 주입기의 축으로부터 변위시킬 수 있다. 이러한 축은 전자 소스로부터 벗어날 때의 전자빔의 원하는 궤적을 나타낼 수 있다. 조향 유닛은 축으로부터의 변위를 정정하고, 따라서 전자가 전자 주입기를 벗어날 때 축과 일치하도록 한다. 이를 통하여, 전자 주입기 내에서 전자의 경로를 전자 주입기의 하류에서 생성된 이온의 경로로부터 분리하는 효과를 가져올 수 있다. 이온은 광전음극과 충돌하여 광전음극에 손상을 줄 수 있다. 전자 주입기 내에서 이온의 경로를 전자의 경로로부터 분리함으로써, 이온 충돌로 인한 손상을 겪는 광전음극의 영역이 전자들의 빔이 방출되는 광전음극의 영역으로부터 분리될 수 있다. 이를 통하여 광전음극의 유효 수명을 더 연장한다.

    조향 유닛은 하나 이상의 전자석을 포함할 수 있다.

    조향 유닛은 전자 주입기의 전자 부스터의 하류에 있을 수 있다.

    상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역은 상기 전자 주입기의 축으로부터 분리될 수 있다.

    상기 빔 전달 시스템은, 상기 방사선 빔이 상기 광전음극에 입사할 경우 상기 광전음극과 수직이 되지 않도록 구성될 수 있다.

    상기 조절 메커니즘은 상기 빔 전달 시스템 내에 방사선 빔 조절 유닛을 포함할 수 있고, 상기 방사선 빔 조절 유닛은 상기 방사선 빔의 하나 이상의 속성을 변경하도록 동작가능하다.

    상기 방사선 빔 조절 유닛은 상기 방사선 빔의 전파 방향을 변경하도록 동작가능할 수 있다.

    빔 전달 시스템은 방사선 빔을 광전음극의 영역으로 반사시키도록 배치되는 미러를 포함할 수 있고 조절 메커니즘은 미러의 위치 및/또는 방위를 변경하도록 동작가능한 액츄에이터를 포함할 수 있다.

    조절 메커니즘은 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 형상을 제어하도록 동작가능할 수도 있다.

    상기 조절 메커니즘은, 상기 조향 유닛이 전자들의 빔에 힘을 인가한 이후에 조명된 영역으로부터 방출된 전자들의 빔이 하나 이상의 요구되는 속성을 가지도록, 상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 형상을 제어하도록 동작가능할 수 있다.

    조절 메커니즘은 광전음극의 위치 및/또는 방위를 변경하도록 동작가능한 액츄에이터를 포함할 수 있다.

    액츄에이터는 광전음극을 회전시키도록 동작가능할 수 있다.

    상기 전자 주입기는 제어기를 더 포함할 수 있고, 상기 제어기는 상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 변경을 제어하기 위하여 상기 조절 메커니즘을 제어하도록 동작가능하다.

    조향 유닛은 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역에 응답하여 전자들의 빔에 인가되는 힘을 조절하도록 동작가능할 수 있다.

    제어기는 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 변경에 응답하여 전자들의 빔에 인가되는 힘의 조절을 제어할 수 있다.

    상기 전자 주입기는 전자들의 빔의 하나 이상의 속성을 측정하도록 동작가능한 전자빔 측정 디바이스를 더 포함할 수 있다.

    조향 유닛은 전자들의 빔의 하나 이상의 속성의 측정에 응답하여 전자들의 빔에 인가되는 힘을 조절하도록 동작가능할 수 있다.

    방사원은 레이저일 수 있고, 방사선의 빔은 레이저 빔일 수 있다.

    레이저는 피코초 레이저일 수 있다.

    전자들의 빔은 전자의 복수 개의 다발을 포함할 수 있다.

    상기 전자 주입기는 전자들의 빔을 가속하도록 동작가능한 전자 부스터를 더 포함할 수 있다.

    상기 축은 상기 전자 주입기로부터 출력되는 전자들의 빔의 요구되는 궤적을 나타낼 수 있다.

    상기 지지 구조체는 전자총 내에 수용될 수 있고, 상기 전자 주입기는 상기 전자총의 위치 및/또는 방위를 조절하도록 동작가능한 액츄에이터를 더 포함할 수 있다.

    상기 액츄에이터는 상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 변동에 응답하여 상기 전자총의 위치 및/또는 방위를 조절하도록 동작가능할 수 있다.

    본 발명의 제 7 양태에 따르면, 자유 전자 레이저로서, 제 6 양태에 따르는 전자 주입기, 전자들의 빔을 상대론적 속도까지 가속하도록 동작가능한 입자 가속기, 및 상대론적 전자가 발진 경로를 따라가게 하여 상대론적 전자가 코히어런트 방사선의 방출을 자극하게 하도록 동작가능한 언듈레이터를 포함하는, 자유 전자 레이저가 제공된다.

    언듈레이터는 상대론적 전자가 EUV 방사선을 방출하게 하도록 구성될 수 있다.

    입자 가속기는 선형 가속기일 수 있다.

    본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명의 제 6 양태에 따르는 자유 전자 레이저를 및 하나 이상의 리소그래피 장치를 포함하는 리소그래피 시스템이 제공된다.

    본 발명의 제 9 양태에 따르면, 전자 주입기를 사용하여 전자빔을 생성하는 방법으로서, 상기 방사선의 빔을 광전음극의 영역 상으로 디렉팅하여, 상기 광전음극이 전자들의 빔을 방출하게 하는 단계, 상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역을 변경하는 단계, 및 전자들이 상기 전자 주입기의 축과 실질적으로 일치하도록, 전자들의 빔의 궤적을 변경하게끔 전자들의 빔에 힘을 인가하는 단계를 포함하는, 전자 빔 생성 방법이 제공된다.

    상기 전자들의 빔에 힘을 인가하는 단계는, 하나 이상의 전자석을 사용하여 전자들의 빔의 궤적을 변경하도록 자기장을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

    상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역은 상기 전자 주입기의 축으로부터 분리될 수 있다.

    상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역을 변경하는 단계는, 상기 방사선 빔의 하나 이상의 속성을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.

    상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역을 변경하는 단계는, 광전음극의 위치 및/또는 방위를 변경하는 단계를 포함할 수 있다.

    상기 광전음극의 위치 및/또는 방위를 변경하는 상기 단계는, 상기 광전음극을 회전시키는 단계를 포함할 수 있다.

    이러한 방법은 상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 변화에 응답하여 상기 전자들의 빔에 인가되는 힘을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

    이러한 방법은 전자들의 빔의 하나 이상의 속성을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

    이러한 방법은 상기 전자들의 빔의 하나 이상의 속성의 측정에 응답하여 상기 전자들의 빔에 인가되는 힘을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

    이러한 방법은 상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 형상을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

    상기 방사선 빔에 의하여 조명되는 광전음극의 영역의 형상은, 조명된 영역으로부터 방출된 전자들의 빔이 상기 전자들의 빔에 힘이 인가된 이후에 하나 이상의 요구되는 속성을 가지도록 제어될 수 있다.

    전자들의 빔은 전자의 복수 개의 다발을 포함할 수 있다.

    상기 축은 상기 전자 주입기로부터 출력되는 전자들의 빔의 요구되는 궤적을 나타낼 수 있다.

    제 10 양태에 따르면, 방사선 생성 방법으로서, 제 9 양태의 방법에 따라서 전자빔을 생성하는 단계, 전자들의 빔을 상대론적 속도까지 가속하는 단계, 및 상대론적 전자가 발진 경로를 따라가게 하여 상대론적 전자가 코히어런트 방사선의 방출을 자극하도록 하는 단계를 포함하는, 방사선 생성 방법이 제공된다.

    상대론적 전자는 EUV 방사선의 방출을 자극하도록 야기될 수 있다.

    본 발명의 제 11 양태에 따르면, 광전음극으로서, 공동이 형성되는 기판, 및 기판에 배치된 재료의 막을 포함하고, 상기 재료의 막은 방사선의 빔에 의하여 조명될 때 전자를 방출하도록 구성되는 전자 방출면을 포함하고, 상기 전자 방출면은 상기 공동으로부터 상기 재료의 막의 반대면에 있는, 광전음극이 제공된다.

    광전음극은 이온과의 충돌에 노출될 수 있다. 기판에 있는 공동은, 이온이 광전음극 내에서 정지되는 기판 내의 깊이를 증가시키는 역할을 한다. 따라서, 이온 충돌에 기인하여 광전음극으로부터 스퍼터링된 재료의 양이 감소된다. 스퍼터링된 재료는 광전음극에 침착될 수 있고, 광전음극의 양자 효율을 감소시킬 수 있다. 광전음극으로부터 스퍼터링되는 재료의 양을 감소시킴으로써, 양자 효율이 감소되는 현상이 감소될 수 있다. 따라서 광전음극의 유효 수명이 증가된다.

    광전음극으로부터 스퍼터링되는 재료의 양을 감소시키면, 양자 효율의 구배가 광전음극에 발생하는 것을 방지할 수도 있다. 이것이 광전음극으로부터 방출된 전자빔과 연관된 전류의 안정성을 증가시키고, 광전음극으로부터 방출된 전자 다발의 전하 분포의 균일성을 증가시킨다. 이러한 효과들 양자 모두는, 자유 전자 레이저용 전자 소스에서 광전음극을 사용할 경우에 특히 유리하다.

    광전음극 내에서 이온이 정지되는 기판의 깊이를 증가시키면, 광전음극의 표면과 가까이에서 광전음극이 가열되는 것을 감소시키는 작용을 할 수 있다. 이것이 광전음극으로부터의 전자의 임의의 열이온 방출을 감소시킨다. 이것은 광전음극에 의하여 방출되는 암전류(dark current)를 감소시킨다. 이것이 자유 전자 레이저의 컴포넌트를 손상시킬 수도 있는 자유 전자 레이저 내의 부유 전자를 감소시키기 때문에, 이것은 자유 전자 레이저 용 전자 소스 내에 광전음극을 사용하는 경우에 유리하다.

    상기 광전음극은 상기 광전음극의 동작 도중에 이온을 수용할 충돌 영역을 포함할 수 있다.

    기판에 있는 공동은 충돌 영역과 실질적으로 정렬될 수 있다.

    상기 전자 방출면과 상기 공동 사이에 배치되는 광전음극의 부분의 두께는, 상기 광전음극의 상기 부분에 입사하는 양이온의 대부분이 상기 광전음극의 해당 부분을 지나 상기 공동 내로 통과하도록 충분히 얇을 수 있다.

    상기 전자 방출면과 상기 공동 사이에 배치된 상기 광전음극의 부분의 두께는 10 마이크론 미만일 수 있다.

    상기 광전음극은, 상기 광전음극이 소정 전압으로 유지될 경우 상기 광전음극에 인가되는 정전기 압력에 의하여 야기되는 광전음극의 변형 이후에 요구되는 형상을 가지도록 구성될 수 있다.

    상기 광전음극은, 상기 광전음극의 변형 이후에, 상기 광전음극에 인가된 전압과 연관된 전기력선이 실질적으로 균일게 되도록 구성될 수 있다.

    기판은 기판에 함몰부(indentation)를 포함할 수 있다.

    기판에 있는 공동은 챔퍼(chamfer)를 포함할 수 있다.

    기판은 하나 이상의 립을 포함할 수 있다.

    하나 이상의 립은 상기 광전음극이 소정 전압으로 유지될 경우 상기 광전음극에 인가되는 정전기 압력에 저항하게 하기 위해 상기 광전음극을 강화시키도록 구성될 수 있다.

    립은 벌집 구조로 배치될 수 있다.

    립은 약 1 마이크론 미만의 두께를 가질 수 있다.

    기판은 실리콘을 포함할 수도 있다.

    재료의 막은 하나 이상의 알칼리 금속을 포함할 수 있다.

    재료의 막은 나트륨 칼륨 안티몬화물(antimonide)을 포함할 수 있다.

    본 발명의 제 12 양태에 따르면, 방사원으로부터 방사선의 빔을 수광하도록 구성되는, 본 발명의 제 11 양태에 따르는 광전음극, 및 상기 광전음극으로부터 방출된 전자들의 빔을 가속하도록 동작가능한 전자 부스터를 포함하는 전자 주입기가 제공된다.

    본 발명의 제 13 양태에 따르면, 자유 전자 레이저로서, 본 발명의 제 12 양태에 따르는 전자 소스, 전자들의 빔을 상대론적 속도까지 가속하도록 동작가능한 선형 가속기, 및 상대론적 전자가 발진 경로를 따라가게 하여 상대론적 전자가 코히어런트 방사선의 방출을 자극하게 하도록 동작가능한 언듈레이터를 포함하는, 자유 전자 레이저가 제공된다.

    언듈레이터는 전자가 EUV 방사선을 방출하게 하도록 구성될 수 있다.

    본 발명의 제 14 양태에 따르면, 본 발명의 제 13 양태에 따르는 자유 전자 레이저를 포함하고, 하나 이상의 리소그래피 장치를 포함하는 리소그래피 시스템이 제공된다.

    본 발명의 제 15 양태에 따르면, 전자빔 생성 방법으로서, 방사선의 빔이 광전음극의 영역에 입사하도록 디렉팅하여 상기 광전음극이 전자들의 빔을 방출하게 하는 단계를 포함하고, 상기 광전음극은 공동이 형성되는 기판 및 상기 기판에 배치된 재료의 막을 포함하며, 상기 재료의 막은 상기 방사선의 빔에 의하여 조명될 때 전자 방출면으로부터 전자를 방출하도록 구성되고, 상기 전자 방출면은 상기 공동으로부터 상기 재료의 막의 반대 면에 있는, 전자 빔 생성 방법이 제공된다.

    본 발명의 임의의 양태의 특징은 본 발명의 임의의 다른 양태 또는 양태들의 특징과 결합될 수 있다.

    본 발명의 실시예는 첨부된 개략적인 도면을 참조하여 이제 예시하는 방식으로만 설명될 것이다:
    - 도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따르는 자유 전자 레이저와 8 개의 리소그래피 장치를 포함하는 리소그래피 시스템의 개략도이다
    - 도 2 는 도 1 의 리소그래피 시스템의 일부를 형성하는 리소그래피 장치의 개략도이다
    - 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따르는 자유 전자 레이저의 개략도이다
    - 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따르는 주입기 장치의 개략도이다
    - 도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 주입기 장치의 개략도이다
    - 도 6 은 본 발명의 다른 실시예에 따르는 주입기 장치의 개략도이다
    - 도 7 은 본 발명의 다른 실시예에 따르는 주입기 장치의 개략도이다
    - 도 8 은 본 발명의 다른 실시예에 따르는 주입기 장치의 개략도이다
    - 도 9 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수 개의 주입기에 대한 구동 메커니즘의 개략도이다
    - 도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따르는 자유 전자 레이저의 개략도이다
    - 도 11 은 도 10 의 자유 전자 레이저의 일부를 형성하는 주입기 장치의 개략도이다
    - 도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따르는 전자 주입기의 개략도이다
    - 도 13 은 도 12 의 전자 주입기에서 사용되기 위한 광전음극의 개략도이다
    - 도 14 는 도 13 의 전자 주입기에서 사용될 수 있는 광전음극의 단면의 개략도이다
    - 도 15 는 실리콘 기판 내의 이온의 정지 위치를 나타낸다
    - 도 16 은 정전기 압력에 노출되는 광전음극의 단면의 개략도이다
    - 도 17a 는 정전기 압력에 노출될 때에 원하는 형상을 가지도록 구성되는 광전음극의 단면의 개략도이다
    - 도 17b 는 정전기 압력에 노출되는 동안 도 17a 의 광전음극의 단면의 개략도이다
    - 도 18 은 강화 립을 포함하는 기판의 일부의 평면도를 개략적으로 나타낸다 그리고
    - 도 19 는 개구가 있는 공동을 포함하는 광전음극의 단면의 개략도이다.

    도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 리소그래피 시스템(LS)의 일 예를 도시한다. 리소그래피 시스템(LS)은 자유 전자 레이저(FEL)의 형태인 방사원, 빔 분할 장치(19) 및 8 개의 리소그래피 장치(LA1-LA8)를 포함한다. 방사원은 극자외선(EUV)을 생성하도록 구성되는 방사선 빔(B)(메인 빔이라고 불릴 수 있음)을 생성하도록 구성된다. 메인 방사선 빔(B)은 복수 개의 방사선 빔(B a -B h )(분기 빔이라고 불릴 수 있음)으로 분할되는데, 빔 분할 장치(19)에 의하여 이들 각각은 다른 리소그래피 장치(LA1-LA8 중 하나로 디렉팅된다. 분기 방사선 빔(B a -B h )은 각각의 분기 방사선 빔이 선행 분기 방사선 빔의 하류에 있는 메인 방사선 빔으로부터 분할되면서, 메인 방사선 빔으로부터 연속적으로 분할될 수 있다. 이러한 경우에, 분기 방사선 빔은, 예를 들어 서로 실질적으로 평행하게 전파될 수 있다.

    리소그래피 시스템(LS)은 빔 확장 광학기(20)를 더 포함한다. 빔 확장 광학기(20)는 방사선 빔(B)의 단면적을 증가시키도록 배치된다. 바람직하게는, 이것은 빔 확장 광학기(20)의 하류에 있는 미러에 가해지는 열부하를 감소시킨다. 이것은 빔 확장 광학기의 하류에 있는 미러가, 냉각이 덜 필요하고 따라서 비용이 저렴하면서 더 낮은 사양을 가지게 한다. 이에 추가하거나 그 대신에, 이것은 하류 미러가 수직 입사에 더 가까이 있도록 할 수도 있다. 빔 분할 장치(19)는 메인 빔(B)으로부터의 방사선을 복수 개의 분기 방사선 빔(B a -B h )을 따라서 지향시키는, 빔(B)의 경로 내에 배치되는 복수 개의 정적 추출 미러(미도시)를 포함할 수 있다. 메인 빔(B)의 크기를 증가시키면 미러가 빔(B) 경로 내에 위치되어야 하는 정확도가 감소된다. 그러므로, 이것은 분할 장치(19)에 의한 출력 빔(B)의 더 정확한 분할을 가능하게 한다. 예를 들어, 빔 확장 광학기(20)는 메인 빔(B)이 빔 분할 장치(19)에 의하여 분할되기 이전에 메인 빔(B)을 약 100 ㅅm로부터 10 cm보다 더 길게 확장하도록 동작가능할 수 있다.

    방사원(FEL), 빔 분할 장치(19), 빔 확장 광학기(20) 및 리소그래피 장치(LA1-LA8)는 모두 이들이 외부 환경으로부터 고립될 수 있게 구성되고 구현될 수 있다. EUV 방사선의 흡수를 최소화하기 위하여, 방사원(FEL), 빔 확장 광학기(20), 빔 분할 장치(19) 및 리소그래피 장치(LA1-LA8)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 를 참조하면, 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(B a )을 컨디셔닝하도록 구성된다. 투영 시스템(PS)은 방사선 빔(B a ')(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(B a ')을 이전에 기판(W)에 형성된 패턴과 정렬한다.

    리소그래피 장치(LA1)에 의하여 수광되는 분기 방사선 빔(B a )은 조명 시스템(IL)의 밀폐 구조 내의 개구(8)를 통해 빔 분할 장치(19)로부터 조명 시스템(IL) 내로 전달된다. 선택적으로, 분기 방사선 빔(B a )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 필드 미러 디바이스(10) 및 다면형 퓨필 미러 디바이스(11)는 함께 원하는 단면 형상 및 원하는 각도 분포를 가지는 방사선 빔(B a )을 제공한다. 방사선 빔(B a )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(B a ')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 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스일 수도 있다.

    패터닝 디바이스(MA)로부터 반사된 이후에, 패터닝된 방사선 빔(B a ')은 투영 시스템(PS)에 진입한다. 투영 시스템(PS)은 방사선 빔(B a ')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 피쳐보다 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.

    위에서 설명된 바와 같이, EUV 방사선 빔(B)을 생성하도록 구성되는 방사원은 자유 전자 레이저(FEL)를 포함한다. 자유 전자 레이저는 소스를 포함하는데, 이것은 다발형 상대론적 전자 빔과 상대론적 전자(relativistic electron)의 다발이 통과하도록 지향되는 주기적 자기장을 생성하도록 동작가능하다. 주기적인 자기장이 언듈레이터에 의하여 생성되고, 전자를 중심축 중심으로 발진 경로를 따라가게 한다. 자기적 구조 전자에 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.

    전자에 의하여 추종되는 경로는 전자들이 주기적으로 중심축을 횡단하는 정현파이고 평면일 수도 있고, 또는 전자가 중심축 중심으로 회전하는 나선형일 수도 있다. 발진 경로의 타입이 자유 전자 레이저에 의하여 방출되는 방사선의 편광에 영향을 줄 수도 있다. 예를 들어, 전자가 나선형 경로를 따라 전파하게 하는 자유 전자 레이저는 타원형으로 편광된 방사선을 방출할 수도 있는데, 이것은 몇 몇 리소그래피 장치에 의한 기판(W)의 노광을 위하여 바람직할 수도 있다.

    도 3 은 주입기 장치(21), 선형 가속기(22), 언듈레이터(24), 및 빔 덤프(100)를 포함하는 자유 전자 레이저(FEL)의 개략도이다. 자유 전자 레이저(FEL)는 도 10 에도 개략적으로 도시된다(후술되는 바와 같음).

    자유 전자 레이저(FEL)의 주입기 장치(21)는 다발형 전자빔(E)을 생성하도록 구성되고, 예를 들어 열이온(thermionic) 음극 또는 광전음극 및 가속 전기장과 같은 전자 소스를 포함한다. 전자빔(E)은 선형 가속기(22)에 의하여 상대론적 속도까지 가속된다. 일 예에서, 선형 가속기(22)는 공통 축을 따라 축상 이격되는 복수 개의 무선 주파수 공동, 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. 공동은 초전도 무선 주파수 공동일 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, 공동은 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.

    주입기 장치(21) 및 선형 가속기(22)는 모두 상대론적 전자를 제공한다.

    선택적으로, 전자빔(E)은 다발 압축기(23)를 지나갈 수 있다. 다발 압축기(23)는 선형 가속기(22)의 하류 또는 상류에 배치될 수 있다. 다발 압축기(23)는 전자를 전자 빔(E) 내에서 다발화(bunch)하고 전자 빔(E) 내의 현존 전자 다발을 공간적으로 압축하도록 구성된다. 다발 압축기(23)의 하나의 타입은 전자 빔(E)에 횡단하도록 지향되는 방사선 필드를 포함한다. 전자 빔(E) 내의 전자는 방사선과 상호작용하고 인접한 다른 전자들과 다발을 이룬다. 다른 타입의 다발 압축기(23)는 자기적 다발압축기(chicane)인데, 전자가 다발압축기를 통과할 때에 전자가 따라가는 경로 길이는 전자의 에너지에 의존한다. 이러한 타입의 다발 압축기는, 복수 개의 주파수 공동에 의하여 선형 가속기(22) 내에서 가속된 전자의 다발을 압축하기 위하여 사용될 수도 있다.

    그러면 전자 빔(E)은 언듈레이터(24)를 통과한다. 일반적으로, 언듈레이터(24)는 복수 개의 자석을 포함하는데, 이들은 주기적 자기장을 생성하도록 동작가능하고, 주입기 장치(21) 및 선형 가속기(22)에 의하여 생성된 상대론적 전자들을 주기적 경로를 따라서 유도하도록 배치된다. 결과적으로, 전자는 일반적으로 언듈레이터(24)의 중심축의 방향에서 전자기 방사선을 방출한다. 언듈레이터(24)는 각각의 섹션이 주기적 자석 구조체를 포함하는 복수 개의 모듈을 포함한다. 전자기 방사선은 각각의 언듈레이터 모듈이 시작될 때에 다발(본 명세서에서 광자 다발이라고 불림)을 형성할 수 있다. 언듈레이터(24)는 전자빔(E)을 리포커싱(refocus)하기 위한 메커니즘으로서, 예컨대 인접한 모듈들의 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.

    자유 전자 레이저(FEL)는 자기-증폭 자발적 방출(self-amplified spontaneous emission; SASE) 모드에서 동작할 수 있다. 대안적으로는, 자유 전자 레이저(FEL)는 시드 방사원을 포함할 수 있는데, 이것은 언듈레이터(24) 내의 자극된 방출에 의하여 증폭될 수 있다. 방사선의 빔(B)은 언듈레이터(24)로부터 전파된다. 방사선 빔(B)은 EUV 방사선을 포함한다.

    전자가 각각의 언듈레이터(24)를 통과하여 이동할 때에, 이들은 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 K 는 언듈레이터 파라미터이다. A 는 언듈레이터(24)의 기하학적 구조에 의존한다: 나선형 언듈레이터의 경우 A =1인 반면에 평면형 언듈레이터에서는 A =2 이다. 비록 에너지의 확산이 가능한 한 최소화될 수도 있지만(낮은 이미턴스(emittance)를 가지는 전자빔(EB 1 )을 생성함으로써), 실무상, 각각의 전자 다발은 에너지 확산을 가질 것이다. 언듈레이터 파라미터 K 는 통상적으로 약 1 이고 다음과 같이 주어진다:

    여기에서 q 및 m 은 각각 전자의 전하 및 질량이고, B 0 는 주기적 자기장의 진폭이며, c 는 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-증폭 자발적 방출(self-amplified spontaneous emission; SASE) 모드에서 동작할 수 있다. SASE 모드에서 동작하려면 전자빔이 각각의 언듈레이터(24)에 진입하기 이전에 전자빔(EB 1 ) 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, 몇 몇 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 K 를 이것의 길이를 따라서 감소시킴으로써 획득될 수도 있다. 이것은 언듈레이터의 축을 따라 언듈레이터 주기 λ u 및/또는 자기장 세기 B 0 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 방사선(광자 다발)은 방사선 빔(B)으로서 방출된다. 방사선 빔(B)은 EUV 방사선을 리소그래피 장치(A1 내지 LA8)로 공급한다. 방사선 빔(B)은, 방사선 빔(B)을 자유 전자 레이저(FEL)로부터 리소그래피 장치(A1 내지 LA8)로 디렉팅하도록 제공될 수 있는 전용 광학 컴포넌트를 향해 선택적으로 디렉팅될 수 있다. EUV 방사선이 일반적으로 모든 물질에 잘 흡수되기 때문에, 반사성 광학 컴포넌트(투과성 컴포넌트가 아니라)가 손실을 최소화하기 위하여 사용된다. 전용 광학 컴포넌트는 자유 전자 레이저(FEL)에 의하여 생성된 방사선 빔이 리소그래피 장치(A1 내지 LA8)의 조명 시스템(IL)에 의하여 수용되기에 적합하도록 이것의 속성을 적응시킬 수 있다. 전용 광학 컴포넌트는 도 1 에 도시되는 확장 광학기(20) 및 빔 분할기(19)를 포함할 수 있다.

    언듈레이터(24)를 떠난 이후에, 전자빔(E)은 덤프(100)에 의하여 흡수되는데, 이것은 예를 들어, 많은 양의 물 또는 고 에너지 전자 충돌에 의한 방사능 동위 원소 생성에 대한 높은 임계를 가지는 재료, 예를 들어 약 15 MeV의 임계를 가지는 Al을 포함할 수 있다. 덤프(100)로 전달되기 이전에, 전자빔(E)로부터 에너지를 추출하여 이것의 방사능을 감소시키고 및/또는 에너지의 적어도 일부를 복구하는 것이 바람직할 수 있다.

    빔 덤프(100)에 의하여 흡수되기 이전에 전자의 에너지를 감소시키기 위하여, 전자 감속기(26)가 언듈레이터(24)와 빔 덤프(100) 사이에 배치될 수 있다. 전자 감속기(26)는 전자들이 빔 덤프(100)에 의하여 흡수되는 경우 전자가 가지는 에너지량을 감소시키고, 따라서 빔 덤프(100)에서 유도되는 방사선 및 생성되는 이차 입자의 레벨을 감소시킬 것이다. 이것은, 방사능 폐기물을 빔 덤프(100)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.

    전자 감속기(26)는 전자의 에너지를 임계 에너지 아래로 감소시키도록 동작가능할 수 있다. 이러한 임계 에너지 아래의 전자는 빔 덤프(100) 내에 방사능의 임의의 레벨을 유도하지 않을 수 있다. 자유 전자 레이저(FEL)의 동작 도중에 감마 방사선이 존재할 수 있지만, 바람직하게는 전자빔(E)이 스위치 오프되는 경우, 빔 덤프(100)는 다루기에 안전할 것이다.

    주입기의 컴포넌트(음극과 같은 것)는 상대적으로 짧은 동작 수명을 가질 수 있고, 빈번한 교체 또는 유지보수가 필요할 수 있다. 이러한 교체 및 유지보수는 이들이 일부를 형성하는 자유 전자 레이저에 안 좋은 영향을 끼칠 수 있다. 본 발명의 실시예는, 주입기들이 하나의 주입기가 유지보수를 위해 스위치오프되는 동안 다른 주입기는 동작하고 있는 두 개의 주입기를 제공할 수도 있다. 본 발명의 실시예는 음극과 같은 주입기 컴포넌트의 동작 수명을 증가시킬 수 있다.

    도 4 를 참조하면, 주입기 장치(21)는 제 1 주입기(30) 및 제 2 주입기(31)를 포함한다. 각각의 주입기(30, 31)는, 예를 들어 열이온 음극 또는 광전음극과 같은 자기 자신의 전자 소스와 가속 전기장(accelerating electric field)을 포함한다. 제 1 주입기(30)는 제 1 다발형 전자빔(E 1 )을 생성하도록 구현되고, 제 2 주입기(31)는 제 2 다발형 전자빔(E 2 )을 생성하도록 구현된다. 각각의 주입기(30, 31)는 자신의 각각의 다발형 주입된 전자빔(E 1 , E 2 )을 조향 유닛(32)을 향해 디렉팅하도록 구성된다. 조향 유닛(32)은 주입된 전자빔 중 하나를 전자빔 병합 유닛(33)으로 선택적으로 디렉팅하도록 구성된다(도시된 바와 같이 이것은 제 1 주입된 전자빔(E 1 )임). 주입된 전자빔의 다른 것은 전자빔 덤프(34)로 디렉팅된다(도시된 바와 같이 이것은 제 2 주입된 전자빔(E 2 )임). 전자빔 덤프(34)는, 예를 들어 물 또는 고 에너지 전자 충돌에 의한 방사능 동위 원소 생성에 대한 높은 임계를 가지는 재료, 예를 들어 약 15 MeV의 임계를 가지는 알루미늄(Al)의 보디(body)를 포함할 수 있다.

    조향 유닛(32)은 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 임의의 적합한 방식으로 구현될 수 있다. 일 예로서, 조향 유닛(32)은, 인입하는 주입된 전자빔(E 1 , E 2 )을 빔 덤프(34) 또는 병합 유닛(33) 중 어느 하나의 방향으로 조향하도록 제어될 수 있는 조향자석을 포함할 수 있다.

    조향 유닛(32)은 조향 모드에서 동작하는 것으로 간주될 수 있다. 제 1 조향 모드에서 조향 유닛(32)은 전자빔을 제 1 주입기(30)로부터 제 1 경로를 따라 빔 덤프(34)를 향해 디렉팅한다. 제 2 조향 모드에서 조향 유닛은 전자빔을 제 1 주입기로부터 병합 유닛(33)으로 디렉팅한다.

    병합 유닛(33)을 향해 디렉팅되는 주입된 전자빔(E 1 )이 출력 전자빔을 제공한다. 병합 유닛(33)은 조향 유닛(32)에 의하여 제공된 주입된 전자빔을 자유 전자 레이저(FEL) 내에서 전파하는 현존하는 재순환 전자빔과 병합하고, 병합된 전자빔(E)을 선형 가속기(22)로 디렉팅하도록 구현된다. 병합 유닛(33)은 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 임의의 적합한 형태를 가질 수도 있다. 일 예로서, 병합 유닛(33)은 재순환 전자빔과 병합되도록, 조향 유닛(32)으로부터의 주입된 전자빔(E 1 )을 디렉팅하기 위한 자기장을 생성하도록 배치되는 복수 개의 자석을 포함할 수 있다. 자유 전자 레이저(FEL)가 초기화되면, 조향 유닛(32)에 의하여 제공된 전자빔을 병합시킬 재순환 전자빔이 존재하지 않을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 경우에, 병합 유닛(33)은 단지 조향 유닛(32)에 의하여 제공된 전자빔을 선형 가속기(22)로 제공한다.

    도 4 의 주입기 장치(21)는 주입기(30, 31) 중 하나가 동작하고 있는 동안 주입기(30, 31) 중 다른 것을 유지보수할 수 있게 한다. 예를 들어, 도 4 는 제 1 주입기(30)가 동작하는 것으로 도시한다. 즉, 제 1 주입기(30)에 의하여 생성된 전자빔(E 1 )은 선형 가속기(22)로 제공되도록 조향 유닛(32)에 의하여 병합 유닛(33)으로 디렉팅된다(실선인 전자빔(E 1 )의 표현으로 표시됨). 도 4 에서 도시되는 바와 같이, 제 2 주입기(31)는 동작하지 않는다(전자빔(E 2 )과 병합 유닛(33) 사이에서 점선으로 표시되고, 전자빔(E 2 )이 전자빔(E)에 기여하지 않는다는 것을 보여줌).

    동작하지 않는 주입기를 신속하게 동작 상태로 스위칭하기 위하여, 동작하지 않는 주입기(31)는 대기 모드(대기 주입기)에서 동작할 수 있는 반면에 다른 주입기(30)(동작 주입기)는 자신의 다발형 전자빔을 선형 가속기(22)로 제공한다. 대기 주입기(31)는 동작 주입기(30)와 동일한 전하를 낮은 듀티 사이클에서 생성할 수 있다. 대기 주입기(31)에 의하여 생성된 전하는 덤프(34)로 제공될 수 있다(도시된 바와 같이). 이것은 동작 주입기에 유지보수를 할 필요가 있는 경우 동작하지 않는 주입기(31)가 동작 주입기의 역할을 빠르게 수행하게 한다.

    유지보수 도중에, 동작하지 않는 주입기는 동작 모드 또는 대기 모드 어디에도 있지 않을 수 있고, 전하가 생성되지 않는 오프 상태에 있을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 주입기(30, 31) 각각은 동작하지 않는 주입기를 유지보수하기에 안전한 환경이 조성되도록 서로로부터 차폐될 수 있다. 예를 들어 각각의 주입기는 다른 주입기에 의하여 생성되는 방사선으로부터의 차폐를 제공하는 벽이 있는 공간 안에 제공될 수 있다. 이러한 공간은 자유 전자 레이저(FEL)의 다른 부분들로부터도 역시 차폐될 수 있다.

    도 5 는 유사한 컴포넌트들에 유사한 참조 번호가 제공된 다른 실시예에 따르는 주입기 장치(21)를 개략적으로 도시한다. 도 5 에서, 제 1 및 제 2 주입기(30, 31)는 각각의 전자빔(E 1 , E 2 )을 빔 덤프(34)의 방향으로 디렉팅하도록 구성된다. 각각의 조향 유닛(35, 36)은 각각의 주입기(30, 31)와 빔 덤프(34) 사이에 배치된다. 각각의 조향 유닛(35, 36)은 수신된 전자빔을 빔 덤프(34)로 또는 병합 유닛(33)으로 선택적으로 디렉팅할 수 있다. 이와 같이, 하나의 주입기(30, 31)가 대기 모드(또는 완전한 비동작) 모드에서 동작하는 동안에, 다른 주입기(30, 31)는 전자빔을 선형 가속기(22)로 제공할 수 있다.

    조향 유닛(35, 36)은 조향 모드에서 동작하고 있다고 간주될 수 있다. 제 1 조향 모드에서, 제 1 조향 유닛(35)은 전자빔을 제 1 주입기(30)로부터 제 1 경로를 따라 빔 덤프(34)를 향해 디렉팅한다. 제 2 조향 모드에서, 제 1 조향 유닛(35)은 전자빔을 제 1 주입기(30)로부터 병합 유닛(33)을 향해 디렉팅한다. 제 3 조향 모드에서, 제 2 조향 유닛(36)은 전자빔을 제 2 주입기(31)로부터 제 3 경로를 따라 빔 덤프(34)를 향해 디렉팅한다. 제 4 조향 모드에서, 제 2 조향 유닛(36)은 전자빔을 제 2 주입기(31)로부터 병합 유닛(33)을 향해 디렉팅한다.

    도 5 의 장치는 유리하게도 도 4 의 장치보다 덜 복잡한 조향 메커니즘을 요구할 수 있다. 즉, 빔 덤프(34)는, 전자빔(E 1 , E 2 )을 빔 덤프(34)로 디렉팅하기 위하여 전자빔(E 1 , E 2 )의 경로에 아무런 조절이 필요가 없도록, 각각의 조향 유닛(35, 36)에 대하여 포지셔닝될 수 있다. 이러한 방식으로, 조향 유닛(35, 36)은 전자빔(E 1 , E 2 )을 병합 유닛(33)으로 디렉팅하기만 하면 된다.

    병합 유닛(33)으로 제공되는 전자빔(E) 내의 전하 분포가 하나의 주입기로부터 다른 주입기로 스위칭할 때에(즉 하나의 주입기를 동작 상태로부터 대기 상태 또는 비동작 상태로 천이시키는 반면에 다른 주입기를 대기 또는 비동작 상태로부터 동작 상태로 천이시킬 때에) 변동하지 않게 보장하는 것이 바람직할 수 있다. 각각의 주입기(30, 31)로부터 병합 유닛(33)까지의 경로 길이에 차이가 발생하면, 예를 들어 각각의 주입기로부터의 전자빔의 확장의 양이 달라지는 것에 기인하여 병합 유닛에 제공된 전자빔 내의 전하의 분포에 이러한 변화가 생기게 할 수 있다. 그러므로 모든 주입기와 병합 유닛(33) 사이의 경로 길이가 동일하도록 보장하는 것이 바람직할 수 있다.

    주입기와 병합 유닛(33) 사이의 경로 길이가 동일하지 않으면, 포커싱 엘리먼트가 제공될 수 있다. 도 6 은 유사한 컴포넌트에 유사한 참조 번호가 제공된 다른 주입기 장치(21)를 개략적으로 도시한다. 도 6 의 장치에서, 제 1 주입기(30)는 제 1 전자빔(E 1 )을 제 1 빔 덤프(34)를 향해 디렉팅하도록 구성되는 반면에 제 2 주입기(31)는 제 2 전자빔(E 2 )을 제 2 빔 덤프(37)를 향해 디렉팅하도록 구성된다. 각각의 조향 유닛(38, 39)은 각각의 주입기(30, 31)와 자신의 각각의 빔 덤프(34, 37) 사이에 배치된다. 각각의 조향 유닛(38, 39)은 수신된 전자빔을, 빔 덤프(34, 37)를 향한 이것의 경로로부터 조향 유닛(39)에 인접하게 배치된 병합 유닛(33)을 향한 경로로 선택적으로 전환하도록 동작가능하다.

    조향 유닛(38, 39)은 조향 모드에서 동작하는 것으로 간주될 수 있다. 제 1 조향 모드에서, 제 1 조향 유닛(38)은 전자빔을 제 1 주입기(30)로부터 제 1 경로를 따라 빔 덤프(34)를 향해 디렉팅한다. 제 2 조향 모드에서, 제 1 조향 유닛(38)은 전자빔을 제 1 주입기(30)로부터 병합 유닛(33)을 향해 디렉팅한다. 제 3 조향 모드에서, 제 2 조향 유닛(39)은 전자빔을 제 2 주입기(31)로부터 제 3 경로를 따라 빔 덤프(34)를 향해 디렉팅한다. 제 4 조향 모드에서, 제 2 조향 유닛(39)은 전자빔을 제 2 주입기(31)로부터 병합 유닛(33)을 향해 디렉팅한다.

    제 1 주입기(30)와 병합기(33) 사이에서 이동하는 전자 다발의 경로 길이는 제 2 주입기(31)와 병합기(33) 사이에서 이동하는 전자 다발의 경로 길이보다 더 크다. 이와 같이, 병합 유닛(33)에서의 제 1 전자빔(E 1 ) 내의 전하 분포는 병합 유닛(33)에서의 제 2 전자빔(E 2 ) 내의 전하의 분포와는 다를 수 있다. 포커싱 엘리먼트(40)가 제 1 조향 유닛(38)과 병합 유닛(33) 사이에 제공된다. 포커싱 엘리먼트(40)는, 예를 들어 제 1 전자빔(E 1 )을 필요에 따라 축소하거나 확장하도록 동작가능한 사극 자석을 포함할 수 있다. 그러므로 포커싱 엘리먼트(40)는 제 1 및 제 2 전자빔(E 1 및 E 2 ) 내의 전하 분포가 병합 유닛(33)에서는 동일해 지도록 제 1 전자빔(E 1 )의 초점을 조절할 수 있다.

    비록 도 6 의 실시예에서, 포커싱 엘리먼트(40)가 제 1 조향 유닛(38)과 병합 유닛(33) 사이에 제공되지만, 그 대신에 또는 추가적으로 포커싱 엘리먼트가 제 2 조향 유닛(39)과 병합 유닛(33) 사이에 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 제 2 조향 유닛(39)과 병합 유닛(33) 사이에 제공된 포커싱 엘리먼트는 전자빔(E 1 , E 2 ) 중 어느 하나 또는 양쪽 모두를 조작하도록 동작가능할 수 있다. 좀 더 일반적으로는, 하나 이상의 포커싱 엘리먼트가 전자빔(E 1 , E 2 )의 경로를 따라서 임의의 포인트에 제공될 수 있다. 예를 들어 도 4 의 실시예에서, 제 1 주입기(31)가 제 2 주입기(31) 보다 조향 유닛(32)으로부터 더 멀리 떨어져 있다면, 포커싱 유닛이 제 1 주입기(31)와 조향 유닛(32) 사이에 제공될 수 있다.

    도 6 의 개략도에서 제 1 전자빔(E 1 )이 제 2 조향 유닛(39)을 통과하는 것으로 도시되지만, 제 1 전자빔(E 1 )은 제 2 조향 유닛(39)을 반드시 통과할 필요가 없다는 것도 역시 이해될 것이다. 더 나아가, 제 1 전자빔(E 1 )이 제 2 조향 유닛(39)을 통과하는 경우, 제 2 조향 유닛(39)은 전자빔(E 1 )을 능동적으로 조향시킬 필요가 없을 수도 있다.

    경로 길이에 추가하여, 전자빔이 주입기와 병합 유닛 사이에서 휘어지는 각도차가 병합 유닛에서 그러한 전자빔들 사이의 전하의 분포에 차이가 생기게 할 수 있다. 도 7 은 유사한 컴포넌트에 유사한 참조 번호가 제공된 다른 주입기 장치(21)를 도시한다. 도 7 의 장치에서, 제 1 주입기(30)는 제 1 전자빔(E 1 )을 빔 덤프(34)의 방향으로 디렉팅하도록 구성되는 반면에 제 2 주입기(31)는 전자빔(E 2 )을 제 2 빔 덤프(37)의 방향으로 디렉팅하도록 구성된다. 각각의 조향 유닛(38, 39)은 각각의 주입기(30, 31)와 자신의 각각의 빔 덤프(34, 37) 사이에 배치된다. 각각의 조향 유닛(38, 39)은 수신된 전자빔을, 빔 덤프(34, 37)를 향한 이것의 경로로부터 조향 유닛들(38, 39) 사이에 배치된 병합 유닛(33)을 향한 경로로 선택적으로 전환하도록 동작가능하다. 도 7 의 장치는 주입기(21)의 일 예를 제공하는데, 여기에서 각각의 전자빔(E 1 , E 2 )이 자신의 각각의 주입기(30, 31)와 병합 유닛(33) 사이에서 휘어지는 각도는 동일하고, 따라서 휨 각도가 다름으로써 야기될 수 있는 전자빔(E 1 , E 2 ) 내의 전하 분포에 발생하는 분산을 감소시킨다. 병합 유닛(33)은 제 1 주입된 전자빔(E 1 )을 재순환 전자빔과 병합시키는 것과 제 2 주입된 전자빔(E 2 )을 재순환 전자빔과 병합시키는 것 사이에서 스위칭한다. 이것은 스위칭가능 극성을 가지는 쌍극 자석을 사용함으로써, 예를 들어 도 11 과 관련하여 상세히 후술되는 바와 같은 방식으로 달성될 수 있다.

    조향 유닛(38, 39)은 조향 모드에서 동작하는 것으로 간주될 수 있다. 제 1 조향 모드에서, 제 1 조향 유닛(38)은 전자빔을 제 1 주입기(30)로부터 제 1 경로를 따라 빔 덤프(34)를 향해 디렉팅한다. 제 2 조향 모드에서, 제 1 조향 유닛(38)은 전자빔을 제 1 주입기(30)로부터 병합 유닛(33)을 향해 디렉팅한다. 제 3 조향 모드에서, 제 2 조향 유닛(39)은 전자빔을 제 2 주입기(31)로부터 제 3 경로를 따라 빔 덤프(34)를 향해 디렉팅한다. 제 4 조향 모드에서, 제 2 조향 유닛(39)은 전자빔을 제 2 주입기(31)로부터 병합 유닛(33)을 향해 디렉팅한다.

    도 8 은 유사한 컴포넌트에 유사한 참조 번호가 제공된 다른 주입기 장치(21)를 개략적으로 도시한다. 도 8 의 장치는 일반적으로 도 6 의 장치에 대응하고, 일반적으로 유사한 레이아웃에서 동일한 컴포넌트들을 가진다. 그러나, 도 6 의 주입기 장치에서, 전자빔(E 1 , E 2 )이 각각의 주입기(30, 31)에 의하여 방출되는 방향은 전자빔(E)이 병합 유닛(33)에 진입할 때의 이것의 방향에 실질적으로 수직한 것으로 도시된다. 즉, 도 6 의 장치에서, 조향 유닛(38, 39)은 전자빔(E 1 , E 2 )을 90 도의 각도에 걸쳐 휘게 하는 것으로 도시된다. 이에 반해, 도 8 의 장치에서는, 주입기(30, 31) 및 그들의 각각의 빔 덤프(34, 37)는 주입된 전자빔(E 1 , E 2 )이 병합 유닛(33)에 진입할 때에 이들의 전파 방향에 대하여 소정 각도로 각각 배치됨으로써, 조향 유닛(38, 39)이 각각의 전자빔(E 1 , E 2 )을 병합 유닛(33)으로 디렉팅하도록 그러한 전자 빔을 휘게 해야 하는 각도가 90 도 미만이 되게 한다. 이와 유사하게, 도 8 의 장치에서, 병합 유닛(33)은 주입된 전자빔(E 1 , E 2 )을 90 도 미만의 각도에 걸쳐 휘게 하도록 구현된다.

    그러므로, 도 8 의 장치에서, 각각의 전자빔(E 1 , E 2 )이 휘어지는 총 각도는 도 6 의 장치와 비교할 때 감소되고, 따라서 전자빔 내의 전하 분포에 분산(variance)이 생기게 하는 해로운 효과를 감소시킨다.

    일반적으로 하나의 주입기가 임의의 시점에 작동하고 있는 것이 위에서 설명되었지만, 일반적으로 두 개 이상의 주입기가 동시에 동작하고 있을 수도 있다. 예를 들어, 도 5 의 장치에서, 각각의 주입기(30, 31)는 동시에 동작할 수 있다. 즉, 조향 유닛(35, 36)은 전자빔(E 1 , E 2 ) 양자 모두를 병합 유닛(33)으로 동시에 디렉팅하도록 구성될 수 있고, 전자빔(E 1 , E 2 )은 선형 가속기(22)로 제공될 전자빔(E)을 함께 제공한다. 전자빔(E 1 , E 2 ) 양자 모두가 병합 유닛(33)으로 제공되는 경우, 각각의 주입기(30, 31)는 감소된 반복률에서 동작할 수 있다(즉 주어진 시간 기간 동안 더 적은 수의 전자 다발을 방출할 수 있다). 예를 들어, 주입기(30, 31) 각각은 하나의 주입기가 홀로 동작하는 반복률의 절반의 반복률에서 동작할 수 있다. 이러한 경우에, 전자빔(E)은 제 2 주입기(31)로부터의 전자 다발과 인터리빙된 제 1 주입기(30)로부터의 전자 다발을 포함할 수 있다.

    비록 설명된 실시예에서 각각의 주입기는 두 개의 주입기(30, 31)를 포함하지만, 더 많은 주입기가 제공될 수도 있다는 것이 이해될 것이다(필요한 경우 대응하는 추가적인 조향 장치도 함께 제공됨). 추가적으로, 비록 설명된 실시예에서 각각의 주입기 장치가 전자빔을 병합 유닛으로 제공하지만(즉 에너지 회수 LINAC(ERL) FEL라고 불릴 수도 있는 FEL 구성에서), 에너지 회수가 사용되지 않는 경우에는 주입기 장치에 의하여 생성되는 전자빔이 병합기로 제공되지 않고 현존 전자빔과 병합되지 않고 LINAC(22)로 직접 제공된다는 것이 이해되어야 한다. 이러한 경우에, 전자빔(E)을 LINAC로 디렉팅하기 위하여 추가 조향 유닛이 요구될 수 있다. 대안적으로는, 주입기 장치는, 추가 조향 유닛을 사용하지 않고 주입기 장치로부터 전자빔(E)이 제공되도록 구현될 수 있다.

    위에서 설명된 바와 같이, 각각의 주입기는 전자를 생성하도록 구현되는 광전음극을 포함할 수 있다. 각각의 주입기의 광전음극은 레이저(본 명세서에서는 광전음극 구동 레이저라고 불림)와 같은 방사원으로부터 방사선의 빔을 수광하도록 구현될 수 있다.

    각각의 주입기의 광전음극은 전압원을 사용하여 높은 전압에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 주입기의 광전음극은 약 수백 킬로볼트의 전압에 유지될 수도 있다. 레이저 빔의 광자는 광전음극에 의하여 흡수되고 광전음극 내의 전자를 더 높은 에너지 상태로 여기시킬 수 있다. 광전음극의 일부 전자는 광전음극으로부터 방출되는 충분히 높은 에너지 상태로 여기될 수 있다. 광전음극의 높은 전압은 음수이고, 따라서 광전음극으로부터 방출되는 전자를 광전음극으로부터 멀어지게 가속하고, 이를 통해 전자의 빔을 형성한다.

    광전음극 구동 레이저에 의하여 제공되는 레이저 빔은 펄스형이어서, 전자들이 광전음극으로부터 레이저 빔의 펄스에 대응하는 다발로 방출되도록 할 수 있다. 광전음극 구동 레이저는, 예를 들어 피코초 레이저일 수도 있고, 따라서 레이저 빔 내의 펄스는 약 수 피코초의 지속기간을 가질 수도 있다. 광전음극의 전압은 DC 전압 또는 AC 전압일 수도 있다. 광전음극의 전압이 AC 전압인 실시예들에서, 광전음극 전압의 주파수 및 위상은, 레이저 빔의 펄스가 광전음극의 전압에 있는 피크와 일치하도록 레이저 빔의 펄스와 매칭될 수도 있다.

    몇 가지 실시예들에서, 단일 광전음극 구동 레이저는 레이저 빔을 다수의 주입기의 광전음극으로 공급할 수 있다. 일 실시예가 도 9 에 개략적으로 예시되는데, 여기에서 두 개의 주입기(30, 31)가 단일 광전음극 구동 레이저(50)에 의하여 구동된다. 광전음극 구동 레이저(50)는 펄스형 레이저 빔(51)을 빔 분할기(52)로 방출하도록 구현된다. 빔 분할기(52)는 레이저 빔(51)을, 주입기(30, 31)로 각각 디렉팅되는 두 개의 펄스형 레이저 빔(53, 54)으로 분할하도록 구성된다. 펄스형 레이저 빔(53, 54)은 주입기(30, 31)의 하우징에 제공된 각각의 윈도우(55, 56)를 통해 주입기(30, 31)에 진입하고, 각각의 미러(57, 58)에 입사한다.

    제 1 주입기(30)의 미러(57)는 펄스형 레이저 빔(53)을 제 1 광전음극(59)에 디렉팅하도록 구성되는 반면에, 제 2 주입기(31)의 미러(58)는 펄스형 레이저 빔(54)을 제 2 광전음극(60)에 디렉팅하도록 구성되어, 광전음극(59, 60)이 각각의 전자 다발(E 1 , E 2 )로 방출하게 한다.

    주입기(30, 31) 중 하나를 대기 모드에서 동작시키거나, 주입기(30, 31) 중 하나가 동작하지 않게 하기 위하여(예를 들어 유지보수를 위하여), 빔 분할기(52)는 레이저 방사선이 주입기(30, 31) 중 하나로 디렉팅되는 것을 선택적으로 방지하도록 동작가능할 수 있다. 빔 분할기(52)는 펄스형 레이저 빔이 각각의 주입기(30, 31)에 제공되는 주파수를 독립적으로 변동시키도록 동작가능할 수 있다. 예를 들어, 제 1 주입기(30)가 동작하고 제 2 주입기(31)가 대기 모드에 있는 경우에, 펄스형 방사선 빔이 제 2 주입기(31)로 제공되는 주파수는 펄스형 방사선 빔이 제 1 주입기(30)로 제공되는 주파수 보다 더 낮을 수 있다.

    대안적으로는, 빔 분할기(52)는 언제나 펄스형 레이저 방사선 빔(53, 54)을 양자 모두의 주입기에 동일하게 제공할 수 있다. 이러한 경우에, 주입기는 주입기의 광전음극에 인가되는 전압을 조절함으로써 대기 모드에 있게 될 수 있다. 예를 들어, 대기 주입기의 광전음극에 인가된 전압이 하이가 되는 빈도는 동작하는 주입기의 광전음극에 인가되는 전압보다 더 적을 수 있다(이를 통하여 대기하는 주입기의 듀티 사이클을 감소시킨다).

    도 9 는 단지 개략적인 것이며 각각의 주입기는 도시된 것보다 더 많은 컴포넌트를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어 각각의 주입기의 광전음극은 진공 챔버 내에 수용될 수 있고, 각각의 주입기는 가속하는 전기장을 포함할 수 있다.

    도 10 은 주입기 장치(121), 선형 가속기(122) 및 언듈레이터(124)를 포함하는 자유 전자 레이저(FEL)를 개략적으로 도시한다. 주입기 장치(121)는 제 1 공간(180)에 제공되고, 선형 가속기 장치(122) 및 언듈레이터(124)는 제 2 공간(181)에 제공된다. EUV 방사선 빔(B)은 언듈레이터(124)로부터 출력되고, 리소그래피 장치에 제공될 수 있다(예를 들어 도 1 과 관련하여 위에서 설명된 방식으로).

    주입기 장치(121)는 제 1 미러(130) 및 제 2 미러(131)를 포함한다. 제 1 주입기(130)는 제 1 공간(178)에 위치되고, 제 2 주입기(131)는 제 2 공간(179)에 위치된다. 각각의 주입기(130, 131)는, 예를 들어 광전음극과 같은 자기 자신의 전자 소스 및 가속 전기장을 포함한다(예를 들어 도 12 에 도시된 바와 같음). 가속 전기장은 전자 소스에 의하여 생성된 전자를, 이들이 예를 들어 약 10 MeV의 에너지의 에너지를 가지고 주입기(130, 131)를 벗어나도록 가속한다. 주입기(130, 131)는 병합 유닛(133)을 향해 디렉팅되는 전자빔(E 1 , E 2 )을 생성한다. 병합 유닛(133)은 전자빔(E 1 , E 2 )을 재순환 전자빔(E IR )과 병합한다(재순환된 전자빔(E IR )의 원점은 아래에 더 후술된다). 각각의 주입된 전자빔(E 1 , E 2 )은 병합 유닛(133)에서 재순환 빔과 병합될 때 재순환 전자빔(E IR )에 대해 각도 α를 가진다. 각도 α는 예를 들어 약 30° 미만일 수 있고, 예를 들어 약 15° 미만일 수 있다.

    실무상, 정상 동작 도중에 주입기(130, 131) 중 하나는 오프라인일 수 있고, 예를 들어 대기 모드에서 동작하거나 스위치오프되어 루틴 유지보수가 일어나게 한다. 따라서, 재순환 전자빔(E IR )은 제 1 주입기(130)에 의하여 생성된 전자빔(E 1 ) 또는 제 2 주입기(131)에 의하여 생성된 전자빔(E 2 ) 중 하나와 병합된다. 용이하게 구별하기 위하여, 병합 유닛(133) 이후의 주입된 전자빔은 주입된 전자빔(E)라고 명명된다(주입된 전자빔(E 1 또는 E 2 ) 대신에).

    선형 가속기(150)는 주입기 장치(121)의 부분을 형성한다. 선형 가속기(150)는 주입된 전자빔(E)의 전자를 가속하고, 이들의 에너지를 적어도 20 MeV만큼 증가시킨다. 전자가 약 10 MeV의 에너지로 선형 가속기(150)에 진입하기 때문에, 이들은 선형 가속기를 30 MeV 이상의 에너지를 가지고 벗어난다. 따라서 주입기 장치는 30 MeV 이상의 에너지를 가지는 전자빔(E)을 제공한다. 이러한 전자빔(E)은 개구(미도시)를 통해 제 1 공간(180)을 벗어나서 제 2 공간(181)으로 들어간다.

    제 2 공간(181)에서 선형 가속기(122)는 전자빔(E)의 전자를 가속한다. 선형 가속기(122)에 의하여 전자에 제공된 에너지는 주입기 장치(121)의 선형 가속기(150)에 의하여 제공된 에너지보다 훨씬 더 크다. 선형 가속기(122)에 의하여 제공되는 에너지는 예를 들어 약 100 MeV 이상일 수 있다. 가속화된 전자빔(E)은 선형 가속기(122)로부터 언듈레이터(124)로 지나간다. 언듈레이터에서 방사선 빔(B)은 전술된 방식으로 전자빔(E)에 의하여 생성된다.

    제 2 공간(181)에 있는 선형 가속기(122)는 메인 선형 가속기(122)(또는 제 2 선형 가속기)라고 불릴 수 있고, 제 1 공간(180)에 있는 선형 가속기(150)는 주입기 선형 가속기(150)라고 불릴 수 있다. 주입기 선형 가속기(150) 및 메인 선형 가속기(122)는 대안적인 장치에서는 동일한 공간에 제공될 수 있다.

    주입기(130, 131)에 의하여 생성된 이후에 그리고 전자빔이 메인 선형 가속기(122)로 이동하기 이전에 전자빔(E)을 가속시키는 것이 바람직한데, 그 이유는 메인 선형 가속기에 의하여 수광되는 전자 다발의 품질을 크게 개선시키기 때문이다. 전자빔(E)은 주입기 장치(121)로부터 메인 선형 가속기(122)로 이동할 때에 긴 거리(예를 들어 10 m가 넘는 거리)를 이동할 수 있다. 주입기(130, 131)에 의하여 제공될 것으로 기대될 수 있는 것처럼 전자빔(E)의 전자가 약 10 MeV의 에너지를 가진다면, 전자가 메인 가속기(122)로 이동함에 따라 전자빔에 있는 전자 다발의 품질에 큰 열화가 발생할 것이다. 이러한 맥락에서, '품질'이라는 용어는 전자 다발의 컴팩트성(compactness) 및 전자 다발 내의 전자 에너지들의 확산을 가리키는 것으로 해석될 수도 있다. 열화는 공간 전하 효과 때문에 발생한다. 마이크로-다발 불안정성 효과의 예인 이러한 공간 전하 효과는 피할 수 없는 것이다. 주입기 선형 가속기(150)를 사용하여 전자빔(E)을 가속하면 전자의 로렌츠 인자가 크게 증가되게 되고, 결과적으로 전자들은 그들이 주입기 장치(121)로부터 메인 선형 가속기(122)로 이동할 때에 증가된 질량(mass)을 가진다. 전자의 질량이 증가되면 공간 전하 힘에 의하여 전자에 인가되는 가속도가 감소되기 때문에, 공간 전하 효과에 의하여 야기되는 다발 열화가 감소된다. 전자 다발의 품질은 이에 따라 증가된다.

    일 실시예에서, 전자의 에너지가 10 MeV로부터 30 MeV 이상으로 증가된다면, 전자의 질량은 약 세 배가 되거나 세 배보다 많게 된다. 이에 상응하여 전자빔 다발 열화가 2/3 이상만큼 감소된다. 일부 마이크로-다발 불안정성 효과 스케일은 로렌츠 인자 γ에 대하여 비선형적으로 감소되고, 예를 들어 γ 2 의 인자로 또는 γ 3 의 인자로 감소될 것이다. 따라서 이러한 마이크로-다발 불안정성 효과는 전자의 에너지가 증가됨에 따라 매우 크게 감소된다.

    주입기 선형 가속기(150)는 20 MeV보다 훨씬 큰 에너지를 전자에게 제공할 수 있다. 예를 들어 이것은 30 MeV 이상을 제공할 수 있다. 예를 들어 이것은 50 MeV 이상, 또는 60 MeV 이상을 제공할 수 있다. 주입기 선형 가속기(150)는, 예를 들어 50 MeV 이상, 또는 60 MeV 이상을 제공하도록 구성되는 품질로서 제공될 수 있다. 대안적으로는, 주입기 선형 가속기(150)는 이러한 모듈의 절반으로서, 20 MeV 이상, 또는30 MeV 이상을 제공하도록 구성될 수 있도록 제공될 수 있다. 더 많은 에너지를 전자빔에 제공하면 마이크로-다발 불안정성 효과를 더 감소시키고, 따라서 메인 가속기(122)에 의하여 수신되는 전자 다발의 품질을 훨씬 더 증가시킨다.

    전자빔(E)에 속한 전자의 에너지를 증가시키는 대신에, 간단하게 주입기로부터 메인 선형 가속기까지의 경로의 길이가 감소될 수 있다는 것이 고려될 수 있다. 그러나, 이것을 구현하는 것은 실무상 어렵고, 예를 들어 짧은 거리에 걸쳐 45°가 넘는 커다란 휨 각도가 요구될 수 있다. 이것은 예를 들어 주입기(130, 131)가 메인 선형 가속기로부터 다른 공간(178, 179)에 위치되는 경우에 발생할 수 있다(자유 전자 레이저(FEL))의 동작 도중에 주입기가 유지보수되게 하는 것이 바람직할 수 있다). 전자빔(E)이 큰 휨 각도를 겪으면, 전자가 코히어런트 싱크로트론 방사선을 방출하게 할 것이다. 전자 다발의 전방에서 전자에 의하여 방출되는 코히어런트 싱크로트론 방사선은 전자 다발의 후방에서 전자들과 상호작용할 것이다. 따라서 코히어런트 싱크로트론 방사선은 전자 다발을 교란시키고 그 품질을 열화시킨다. 코히어런트 싱크로트론 방사선을 방출시키고 그 방사선이 전자 다발과 상호작용하는 것은 마이크로-다발 불안정성 효과의 다른 예이다.

    본 발명의 일 실시예가 사용되면, 전자빔(E)의 전자가 겪게 되는 공간 전하 불안정성 효과가 크게 감소된다. 따라서, 주입기 장치(121)로부터 메인 선형 가속기(122)로의 경로의 길이가, 길이 증가의 결과로서 전자빔에 있는 전자 다발의 품질이 아주 적게 감소되면서 증가될 수 있다. 경로의 길이가 증가되면 전자빔(E)이 더 부드럽게 휘게 할 수 있다(즉 전자빔 방향에 주어진 변화가 생기게 하기 위해서 더 긴 경로 길이를 사용할 수 있음). 전자빔 방향의 변화는, 예를 들어 쌍극 및 사극 자석의 조합을 사용하여 획득될 수 있다. 쌍극 및 사극 자석을 수용할 경로 길이를 더 길게 만들면, 이들이 전자빔 방향이 변동되는 동안에 더 적은 싱크로트론 방사선이(자석을 수용하기 위해서 더 짧은 경로 길이가 사용 가능한 경우에 전자빔 방향에 변동이 일어나는 동안 방출되는 싱크로트론 방사선의 양과 비교하여) 방출되게 하도록 자석을 배치하는 것이 가능할 수 있다.

    따라서, 전자빔에 있는 전자의 에너지를 증가시키고 이를 통하여 전자의 로렌츠 인자(및 질량)를 증가시킴으로써, 마이크로-다발 불안정성 효과가 감소된다. 이를 통하여 메인 가속기(122)에 의하여 수신되는 전자빔에 있는 전자 다발의 품질이 개선된다.

    주입기 선형 가속기(150)는 에너지 회수 선형 가속기이다. 즉, 주입기 선형 가속기(150)는 에너지 재순환 전자빔(E IR )으로부터의 에너지를 주입된 전자빔(E)으로 전달한다. 재순환 전자빔(E IR )은 주입기 선형 가속기 내의 가속 필드(예를 들어 무선 주파수 필드)에 상대적으로 약 180 도의 위상차를 가지고 주입기 선형 가속기(150)에 진입한다. 주입기 선형 가속기(150) 내의 전자 다발과 가속 필드 사이의 위상차는 재순환 전자빔(E IR )의 전자가 이러한 필드에 의하여 감속되게 한다. 감속 전자는 그들의 에너지의 일부를 주입기 선형 가속기(150) 내의 필드로 다시 전달하고, 이를 통하여 주입된 전자빔(E)을 가속시키는 필드의 세기를 증가시킨다. 이러한 방식으로 에너지가 재순환 전자빔(E IR )으로부터 주입된 전자빔(E)으로 전달된다.

    일 실시예에서 재순환 전자빔(E IR )은30 MeV의 에너지를 가지고, 주입기 선형 가속기(150)는 재순환 전자빔으로부터의 20 MeV의 에너지를 주입된 전자빔(E)으로 전달한다. 따라서, 30 MeV의 에너지를 가지는 출력 전자빔(E)과 10 MeV의 에너지를 가지는 재순환된 전자빔(E IR )이 주입기 선형 가속기(150)로부터 제공된다. 재순환된 전자빔(E IR )은 병합해제 유닛(demerging unit; 134)에 의하여 전자빔(E)으로부터 분리되고, 빔 덤프(151)를 향해 디렉팅된다.

    주입기 선형 가속기(150)가 에너지 회수 선형 가속기이고 재순환된 전자빔(E IR )으로부터의 에너지를 주입된 전자빔(E)으로 전달하기 때문에, 이것은 선형 가속기가 에너지 회수 선형 가속기가 아니었을 경우의 에너지보다 훨씬 더 적은 에너지를 사용한다. 주입기 선형 가속기(150)는 제로에 가까운 평형 공동 부하(balanced cavity load)를 가질 수 있다. 즉, 주입된 전자빔(E) 내의전류는 재순환된 전자빔(E IR ) 내의 전류와 실질적으로 매칭될 수 있고, 재순환된 전자빔(E IR )으로부터 추출된 에너지는 주입된 전자빔(E)에 제공된 에너지와 거의 동일할 수 있다. 주입된 전자빔(E)에 제공되는 에너지량은 재순환된 전자빔(E IR )로부터 추출된 에너지보다 조금 더 높을 수 있는데, 이러한 경우에 일부 에너지는 주입기 선형 가속기(150)로 제공되어 이러한 차이를 보상한다. 일반적으로, 재순환된 전자빔(E IR )이 주입기 선형 가속기(150)를 떠날 경우 재순환된 전자빔의 에너지는 제 1 주입기(130)에 의하여 제공되는 전자빔(E 1 )의 에너지(또는 등가적으로 제 2 주입기(131)에 의하여 제공되는 전자빔(E 2 )의 에너지)에 실질적으로 대응할 것이다.

    위에서 언급된 바와 같이, 주입기(130, 131)는 전자가 병합 유닛(133)에 도달하기 전에 가속하는 가속 전기장을 각각 포함한다. 가속 전기장은 주입기 선형 가속기(150) 및 메인 선형 가속기(122)와 동일한 동작 원리를 사용하는 선형 가속기에 의하여 제공되는데, 즉 전자를 가속하는 무선-주파수(RF) 필드를 가지는 공동(cavity)이 제공된다. 그러나, 주입기(130, 131) 내에서 제공되는 가속도와 후속하는 가속도 사이의 중요한 차이점은, 이러한 주입이 에너지 회수 선형 가속기에 의해서 제공되지 않는다는 것이다. 따라서, 전자가 병합 유닛(133)에 도달하기 전에 가속시키기 위하여 요구되는 에너지 전부가 주입기(130, 131)로 제공되어야 한다(에너지 중 어느 것도 복구된 에너지가 아님). 예를 들어, 전자를 10 MeV로 가속시키기 위해서는 약 300 kW의 파워가 필요하다. 전자가 주입기(130, 131)에 의해서 예를 들어 30 MeV까지 가속되어야 한다면, 약 900 kW의 파워가 필요할 것이다. 이러한 높은 파워를 제공하는 단점은, 주입기(130, 131)를 극저온 냉각하는 것이 어려워질 수 있다는 것이다. 추가적으로, 주입기(130, 131)를 온오프로 스위칭할 때에, 파워 서플라이 양단에 연결되는 부하의 크기에 기인하여 문제점이 발생할 수도 있다.

    전자를 30 MeV(또는 일부 다른 에너지)까지 가속시키기 위해서 에너지 회수 주입기 선형 가속기(150)를 사용하면, 전자를 가속하기 위하여 사용되는 에너지가 재순환된 전자빔(E IR )으로부터 복구되기 때문에 위의 문제점들이 생기지 않게 된다. 상대적으로 낮은 에너지(예를 들어 10 MeV 미만)로 전자빔을 주입하고, 이러한 에너지 회수 주입기 선형 가속기(150)를 사용해서 해당 전자빔을 가속하는 것의 추가적인 장점은, 재순환된 전자빔(E IR )이 주입기 선형 가속기를 통과한 이후에10 MeV 미만의 에너지를 가진다는 것이다. 이러한 에너지는 빔 덤프(151) 내에 방사능을 유도하지 않도록 충분히 낮다. 만일 주입된 전자빔이 훨씬 더 높은 에너지(예를 들어 20 MeV)를 가진다면, 빔 덤프에서 방사능을 유도하는 것을 피하기 위하여 전자 감속 유닛이 빔 덤프(151) 이전에 추가될 필요가 있을 것이다.

    메인 선형 가속기(122)도 역시 에너지 회수 선형 가속기이다. 메인 선형 가속기(122)에서의 에너지 회수는 주입기 선형 가속기(150)에서의 에너지 회수와 동일한 방식으로 작동한다. 언듈레이터(124)를 벗어난 이후에 전자빔(E)은 약 180 도의 위상차를 가지고 메인 선형 가속기(122)를 통해 재순환된다. 그러면 전자빔은 주입된 전자빔(E 1 , E 2 )과 병합하는 재순환 전자빔(E IR )으로서 주입기 장치(121)에 진입한다.

    전자빔(E)의 전자 다발은 시퀀스들 사이에 갭이 제공되는 다발들의 시퀀스로서 제공될 수 있다. 갭은 클리어링(clearing) 갭이라고 불릴 수 있고, 전자 다발 시퀀스의 인접한 전자 다발들 사이가 분리된 것보다 더 길다. 이온은 충돌형(collisional) 이온화를 통해 전자빔 경로에서 잔류 가스로부터 생성된다. 이온들은 양으로 하전되고, 이온의 생성 레이트는, 이온이 제거되지 않는다면 시간이 지남에 따라서 전자빔(E)이 중성화되게 하는 값이다(예를 들어 이온 전하는 전자빔의 1 미터당 전하와 매칭된다). 전자빔(E)에 있는 클리어링 갭은 이온이 전자빔 경로로부터 드리프트되게 하고, 이를 통하여 포획된 이온들이 축적되는 것을 방지하거나 감소시킨다. 이온이 전자빔 경로로부터 이와 같이 드리프트되는 것은 빔 경로를 따라 임의의 포인트에서 발생할 수 있다. 이온이 전자빔 경로로부터 드리프트하는 속도를 증가시키는 역할을 하는 추출 전극이 제공될 수 있다.

    도 10 을 참고함으로써 이해될 수도 있는 바와 같이, 자유 전자 레이저의 일부 위치에서 전자빔(E)과 재순환 전자빔(E IR )이 서로 공통-전파(co-propagate)된다. 이것은 병합 유닛(133)과 병합해제 유닛(134) 사이에서 발생하고, 빔들은 주입기 선형 가속기(150)를 통해 공통 전파된다(에너지 회수가 선형 가속기에서 발생하게 하는 것이 바로 이러한 공통-전파이다). 이와 유사하게, 전자빔(E)과 재순환 전자빔(E IR )은 메인 선형 가속기(122)를 통과해서 공통-전파된다.

    클리어링 갭이 전자빔(E)과 재순환 전자빔(E IR )이 공통-전파하는 위치에서 유효하게 하기 위해서, 전자빔(E)의 클리어링 갭은 재순환 전자빔(E IR )의 클리어링 갭과 동기화되어야 한다. 이온이 전자빔 경로로부터 벗어나서 드리프트하게 하는 것에 추가하여, 이온이 주입기 선형 가속기(150) 및 메인 선형 가속기(122)를 통과할 때에 클리어링 갭을 동기화하면, 가속기의 에너지 회수 동작이 교란되지 않는다는 장점을 가진다(대응하는 클리어링 갭이 가속 빔에 없는 클리어링 갭이 감속 빔에 존재하면, 가속기는 가속화된 전자빔의 에너지에 원치않는 요동이 발생하게 할 것이다).

    일 실시예에서, 클리어링 갭을 동기화하기 위하여, 도 10 에 도시되는 두 개의 루프의 전자빔 경로 길이는 서로 같을 수 있다. 제 1 루프는 병합 유닛(133)으로부터, 주입기 선형 가속기(150) 및 메인 선형 가속기(122)를 거쳐 다시 병합 유닛까지 측정될 수 있다(언듈레이터(124)를 통과하지 않음). 제 2 루프는 메인 선형 가속기(122)의 입구로부터 메인 선형 가속기 및 언듈레이터(124)를 거쳐 다시 메인 선형 가속기(122)의 입구까지 측정될 수 있다. 클리어링 갭이 생성되는 속도는 전자가 루프 중 하나를 따라 이동하는데 걸리는 시간과 일치할 수 있다(제 1 루프를 따라 이동하는 시간은 제 2 루프를 따라 이동하는 시간과 동일할 것이다). 따라서, 전자빔(E) 및 재순환 전자빔(E IR ) 내의 클리어링 갭들이 동기화되는데, 그 결과로서 이온 클리어런스가 전자빔 경로 전체에 걸쳐 발생될 수 있다(주입기 선형 가속기(150) 및 메인 선형 가속기(122) 내에서도). 일반적으로, 주입된 전자빔 내의 클리어링 갭은 재순환 전자빔 내의 클리어링 갭과 동기화될 수 있다.

    비록 도 10 이 주입기 장치(121)가 메인 선형 가속기(122) 및 언듈레이터(124)와 동일한 평면에 위치하는 것으로 개략적으로 도시하지만, 반드시 그래야 하는 것은 아니다. 주입기 장치(121)는 그 외의 평면에 제공될 수 있다. 예를 들어, 주입기 장치가 제공되는 공간(180)은 메인 선형 가속기(122) 및 언듈레이터(124)가 제공되는 공간(181)의 위 또는 아래에 있을 수 있다.

    일반적으로, 자유 전자 레이저(FEL)의 각각의 공간(180 내지 183)은 방사선 차폐벽, 층 및 실링(ceiling)을 포함하여, 해당 공간 외부로부터의 방사선이 공간 내에 있는 운영자에 입사하지 않게 할 수 있다(그 반대의 경우도 마찬가지이다). 이를 통해 예를 들어 운영자가 하나의 주입기(130)를 보수하는 동안 다른 주입기(131)가 동작하거나 자유 전자 레이저(FEL)의 다른 부분이 동작하게 할 수 있다.

    도 11 은 개략적으로 주입기 장치(121)의 제 1 및 제 2 주입기(130, 131)와 함께 병합 유닛(133)을 좀 더 상세하게 보여준다. 도 11 에서 제 2 주입기(131)는 동작하며 제 1 주입기(130)는 스위치오프되거나(예를 들어 유지보수하도록) 또는 대기 모드에 있다. 병합 유닛(133)은 주입된 전자빔(E 2 )을 재순환 전자빔(E IR )과 결합시켜, 이러한 두 개의 전자빔이 병합 유닛을 떠날 때에 콜리니어 방식으로 전파되도록 한다.

    병합 유닛(133)은 쌍극 자석 및 사극 자석을 포함한다. 이러한 실시예에서, 쌍극 자석 및 사극 자석은 전자석이다(하지만 쌍극 자석 및/또는 사극 자석은 영구 자석일 수도 있다). 쌍극 자석은 개략적으로 디스크(161, 162, 170 내지 173, 181, 182)를 가지는 정사각형으로 표현된다. 쌍극 자석은 전자빔의 전파 방향을 변경한다(방향 변화가 발생하는 점이 개략적으로 디스크로 표현된다). 사극 자석은 개략적으로 디스크(163, 183, 175)가 없는 사각형으로 표시된다. 사극 자석은 전자빔이 집광된 상태로 유지하는 역할을 하고, 즉 전자빔의 원치않는 발산을 방지한다.

    주입된 전자빔(E 2 )과 재순환 전자빔(E IR )은 결합 쌍극 자석(173)에 의하여 결합된다. 개략적으로 예시된 바와 같이, 주입된 전자빔(E 2 )과 재순환 전자빔(E IR )은 주입기 장치의 축(A)(점선으로 표시)에 대해 다른 방위를 가진다. 이러한 실시예에서, 주입된 전자빔(E 2 )은 결합 쌍극 자석(173)에 입사할 때에 축(A)에 대해 예를 들어 약 15°의 각도를 가진다. 재순환 전자빔(E IR )은 결합 쌍극 자석(173)에 진입할 때에 축(A)에 대해 예를 들어 약 2° 의 각도를 가진다. 이러한 예에서, 주입된 전자빔은 약 10 MeV의 에너지를 가지고, 재순환 전자빔(E IR )은 약 80 MeV의 에너지를 가진다.

    결합 쌍극 자석(173)은 전자빔(E 2 , E IR )이 결합 쌍극 자석을 통과할 때 양자 모두를 우측으로 휘게 한다. 결합 쌍극 자석(173)에 의하여 전자빔(E 2 , E IR )에 인가되는 휨 각도는 전자빔의 에너지에 반비례한다. 10 MeV의 에너지를 가지는 주입된 전자빔(E 2 )은 약 15°의 각도만큼 휘어져서, 결합 쌍극 자석(173)에서 벗어날 때 축(A)의 방향으로 전파하도록 한다. 80 MeV의 훨씬 더 높은 에너지를 가지는 재순환 전자빔(E IR )은 약 2°의 각도만큼 휘어진다. 2°의 휨 각도는 재순환 전자빔(E IR )이 결합 쌍극 자석(173)을 벗어날 때 이것도 역시 축(A)의 방향으로 전파되게 한다. 결합 쌍극 자석(173)에 진입할 때의 주입된 전자빔(E 2 )의 공간적 위치 및 쌍극 자석에 진입할 때의 재순환 전자빔(E IR )의 공간적 위치는, 양자 모두가 결합 쌍극 자석(173)을 떠날 때에 동일한 공간적 위치를 가지도록 선택된다. 따라서 결합 쌍극 자석(173)은 두 개의 전자빔을, 결합 쌍극 자석을 떠날 때에 이들 모두가 축(A)을 따라 전파하는 전파되도록(이들이 서로에 대해 콜리니어하도록) 결합한다.

    도 11 에 도시되는 다른 쌍극 자석(161, 162, 170 내지 172))은 전자빔(E 2 , E IR )을, 전자빔들 양자 모두가 결합 쌍극 자석(173)을 벗어날 때에 중앙 축을 따라 전파하도록 하는(즉 콜리니어하게 하는) 축(A)에 대한 각도 및 공간적 위치에서 결합 쌍극 자석(173)으로 전달하도록 구성된다. 전자빔(E 2 , E IR )의 에너지가 자유 전자 레이저를 설계하는 동안 결정되기 때문에, 쌍극 자석의 일반적 구조는 자유 전자 레이저가 설계되는 동안 이에 상응하여 선택될 수 있다. 쌍극 자석(161, 162, 170 내지 173)에 의하여 제공되는 빔 휨 각도는 빔 정렬(beam alignment)을 제공하기 위하여 주입기 장치(121)가 설치되는 동안에 튜닝될 수 있다.

    전자빔(E 2 , E IR )을 축(A)에 대한 원하는 각도 및 공간적 위치에서 결합 쌍극 자석(173)으로 전달하는 것에 추가하여, 쌍극 자석(161, 162,(170 내지 172))은 전자빔에 있는 전자 다발 품질을 유지(또는 실질적으로 유지)하도록 구성될 수도 있다.

    쌍극 자석(161, 162)의 쌍이 주입된 전자빔(E 2 )의 경로에 제공된다. 제 1 쌍극 자석(161)은 주입된 전자빔(E 2 )을 우측으로 휘게 하도록 구성되고, 제 2 쌍극 자석(162)은 주입된 전자빔(E 2 )을 좌측으로 휘게 하도록 구성된다. 쌍극 자석(161, 162)의 쌍을 지나간 이후에, 주입된 전자빔(E 2 )은 이제 결합 쌍극 자석(173)을 통과하고, 이것이 주입된 전자빔을 우측으로 휘게 한다. 따라서 주입된 전자빔(E 2 )은 3 개의 쌍극 자석(161, 162, 173)을 통과한다. 주입된 전자빔(E 2 )은 제 1 쌍극 자석(161) 이전에, 제 1 및 제 2 쌍극 자석(161, 162) 사이, 그리고 제 2 쌍극 자석(162) 이후에 제공된 사극 자석들도 역시 통과한다.

    쌍극 자석(161, 162)은 주입된 전자빔(E 2 )을 축(A)에 대해 원하는 각도로 쌍극 자석(173)으로 전달하도록 구성된다(원하는 각도는 예를 들어 15°일 수 있다). 사극 자석(163)은은 제 1 쌍극 자석(161) 이전에, 제 1 및 제 2 쌍극 자석(161, 162) 사이, 그리고 제 2 쌍극 자석(162) 이후에 제공된다. 사극 자석(163)은 주입된 전자빔(E 2 )이 집광된 상태를 유지하고, 즉 주입된 전자빔의 원치않는 발산을 방지한다. 3 개의 쌍극 자석(161, 162, 173) 및 3 개의 사극 자석(163)은 조합하여 주입된 전자빔(E 2 )이 휘게 해서 실질적으로 무색성(achromatic)이 되게 하며, 즉 결합 쌍극 자석(173) 이후의 전자빔의 위치 및 방향은 주입된 전자빔(E 2 )의 에너지로부터 독립적이다. 쌍극 자석(161, 162, 173) 및 사극 자석(163)은 주입된 전자빔(E 2 )이 휘게 하여 실질적으로 등시성(isochronous)이 되게 하며, 즉 모든 전자의 에너지는 동일한 경로 길이를 따라 이동한다. 쌍극 자석(161, 162, 173) 및 사극 자석(163)을 일부 튜닝 작업이 원하는 다발 품질을 가지는 전자빔을 획득하기 위하여 설치하는 도중에 수행될 수 있다. 예를 들어 튜닝은 주입기 선형 가속기(150)를 지난 이후에 전자 다발의 품질을 고려할 수 있다. 몇 가지 실례들에서, 주입기 선형 가속기(150) 이후의 최선의 전자 다발 품질은 예를 들어 쌍극 자석(161, 162, 173) 및 사극 자석(163)을 사용하여 작은 양의 색도도(chromaticity)를 주입된 전자빔(E 2 )에 계획에 따라 도입함으로써 획득될 수 있다. 일반적으로, 쌍극 자석(161, 162, 173) 및 사극 자석(163)은 선형 가속기(150) 이후에 원하는 품질을 가지는 전자 다발을 제공하도록 튜닝될 수 있다.

    주입된 전자빔(E 2 )은 제 1 사극 자석(163)에 도달하기 이전에 솔레노이드(미도시)를 따라 이동할 수 있다. 솔레노이드는 제 2 주입기(131)가 위치되는 공간(179)의 벽을 관통할 수 있다(도 10 을 참조한다).

    재순환된 전자빔(E IR )은 4 개의 쌍극 자석(170 내지 173)을 통과한다. 이러한 쌍극 자석(170 내지 173)은 바뀔 수 있는 극성을 가진다. 즉, 각각의 쌍극 자석(170 내지 173)에 의하여 재순환된 전자빔(E IR )에 인가되는 휨 각도는 반전될 수 있다. 이것은 쌍극 자석(170 내지 173)을 통과하는 전류의 방향을 스위칭하여, 이를 통해 그러한 쌍극 자석의 B-필드 방향을 스워핑함으로써 달성된다.

    제 2 주입기(131)가 동작하고 있고 제 1 주입기(130)가 스위치오프되는(또는 대기 모드에 있는) 경우에, 쌍극 자석(170 내지 173)은 재순환 전자빔(E IR )이 도 11 에서 개략적으로 실선으로 표시된 경로를 따라가게 하도록 구성된다. 즉, 제 1 쌍극 자석(170)은 재순환 전자빔(E IR )을 우측으로 휘게 하고, 제 2 쌍극 자석(171)은 재순환 전자빔(E IR )을 좌측으로 휘게 하며, 제 3 쌍극 자석(172)은 재순환 빔을 우측으로 휘게 한다. 이러한 예에서, 쌍극 자석(170 내지 172)은 재순환 전자빔(E IR )을 축(A)에 대해 약 2° 의 각도로 결합 쌍극 자석(173)으로 전달한다. 쌍극 자석(170 내지 173)은 다발압축기로서 배치된다. 다발압축기는 재순환 전자빔(E IR )을 원하는 각도로 결합 쌍극 자석(173)에 전달하여, 재순환 전자빔이 결합 쌍극 자석을 벗어날 때에 축(A)을 따라 디렉팅되게 한다.

    위에서 언급된 바와 같이, 주입된 전자빔(E 2 ) 및 재순환 전자빔(E IR )의 입사각 및 그들의 각각의 에너지는, 이들이 결합 쌍극 자석(173)을 벗어날 때에 양자 모두가 축(A)을 따라 전파하도록 한다. 주입된 전자빔(E 2 ) 및 재순환 전자빔(E IR )은 사극 자석(175)을 통과하고, 이제 주입기 선형 가속기(150)(도 10 을 참조한다)로 이동한다.

    제 2 주입기(131)를 스위치 오프하고 자유 전자 레이저용 전자빔(E 1 )을 제공하기 위해 제 1 주입기(130)를 사용하는 것이 바람직할 수 있다(즉 동작의 제 2 모드와 동작의 제 1 모드 사이의 스위칭). 이러한 경우에, 재순환 전자빔(E IR )에 작용하는 쌍극 자석(170 내지 173)의 극성은 모두 스위칭된다. 이것은 쌍극 자석(170 내지 173)을 통과하는 전류의 방향을 스위칭함으로써 달성될 수 있다. 그러면 재순환 전자빔(E IR )은 쇄선으로 표시된 빔 경로를 따라 간다. 이것은 실효적으로는, 제 2 주입기(131)가 사용되고 있었을 때의 재순환 전자빔(E IR )이 따라가는 경로의 미러 이미지이다(축(A)에 대해 반사된 이미지). 따라서, 재순환 전자빔(E IR )은 제 1 쌍극 자석(170)에 의하여 좌측으로 휘어지고, 제 2 쌍극 자석(171)에 의하여 우측으로 휘어지며, 이제 제 3 쌍극 자석(172)에 의하여 좌측으로 휘어진다. 이를 통하여 재순환 전자빔은 약 2°의 각도로 결합 쌍극 자석(173)으로 전달되지만, 축(A)의 반대면으로부터 전달된다.

    이와 유사하게, 주입된 전자빔(E 1 )은 역시 쇄선으로 표시되는 경로를 따라 간다. 주입된 전자빔(E 1 )은 두 개의 쌍극 자석(181, 182) 및 3 개의 사극 자석(183)을 통과한다. 이러한 자석은 다른 주입된 전자빔(E 2 )에 대하여 위에서 설명된 방식에 대응하는 방식으로 동작하고, 및 주입된 전자빔(E 1 )을 약 15°의 각도로, 하지만 축(A)의 반대면으로부터 결합 쌍극 자석(173)으로 전달한다.

    주입된 전자빔(E 1 ) 및 재순환 전자빔(E IR )의 에너지 및 입사각은, 결합 쌍극 자석(173)이 전자빔에 다른 휨 각도를 인가하도록 하고, 빔들 양자 모두가 결합 쌍극 자석을 떠날 때에 축(A)을 따라 콜리니어하게 전파되도록 한다.

    상기 기술 내용은 주입된 전자빔(E 1 , E 2 )에 대해 약 15°의 입사각 그리고 재순환 전자빔(E IR )에 대해 약 2°의 입사각을 가리킨다. 그러나, 임의의 적합한 각도가 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다(예를 들어 주입된 전자빔(E 1 , E 2 )에 대해 약 30° 까지의입사각, 및 재순환 전자빔(E IR )에 대해 약 4°의 입사각). 위에서 언급된 바와 같이, 결합 쌍극 자석(173)에 인가된 휘는 각도는 전자빔의 에너지에 반비례한다. 따라서, 주입기 장치(121)를 구성할 때 쌍극 자석(161, 162, 170 내지 173, 181, 182)의 구성은 주입기 장치(121)가 동작할 때에 존재할 전자빔 에너지를 사용하여 선택될 수 있다(전자빔의 에너지는 사전에 알려질 것임).

    다시 도 10 을 참조하면, 주입된 전자빔(E 2 )이 병합 유닛(133)의 상류에 있는 재순환 전자빔(E IR )과 교차하는 것으로 보인다는 것을 알 수 있다. 실무상 전자빔은 교차하지 않고, 그 대신에 주입된 전자빔(E 2 )은 재순환 전자빔(E IR ) 위를 지나간다. 재순환 전자빔(E IR )이 주입된 전자빔(E 2 )아래를 지난 이후에 이것을 상향 이동시키기 위하여 쌍극 자석이 사용됨으로써, 빔들 양자 모두가 병합 유닛(133)에 진입하기 이전에 동일한 평면에서 전파되게 한다. 주입된 전자빔(E 2 ) 및 재순환 전자빔(E IR )의 평면은 병합 유닛(133) 이후의 병합된 전자빔(E, E IR )의 평면과 일치할 수 있다. 평면은 예를 들어 실질적으로 수평일 수 있다. 대안적 장치에서, 주입된 전자빔(E 2 )은 병합 유닛(133) 이전에 재순환 전자빔(E IR 아래를 통과할 수 있다.

    제 1 주입기(130)로부터 제공된 주입된 전자빔(E 1 )이 재순환 전자빔(E IR )과 결합되는 동작의 제 1 모드로부터 제 2 주입기(131)로부터 제공된 주입된 전자빔(E 2 )이 재순환 전자빔과 결합되는 동작의 제 2 모드로의 스위칭은 제어기(미도시)에 의하여 제어될 수 있다. 제어기는 프로세서를 포함할 수 있다. 제어기는 쌍극 자석에 제공되는 전류의 방향을 스위칭함으로써 다발압축기의 쌍극 자석(170 내지 173)의 극성을 스위칭할 수 있다.

    도 12 는 주입기(230)의 일 실시예의 개략도이다. 주입기(230)는 전자총(231)(전자 소스로 간주될 수 있음), 전자 부스터(233) 및 조향 유닛(240)을 포함한다. 전자총(231)은 진공 챔버(232) 내의 광전음극(243)을 지원하도록 배치되는 지지 구조체(242)를 포함한다. 실무상, 주입기(230)는 주입기(230) 내에서 사용되도록 교체가능한 부품으로 간주될 수 있는 광전음극(243)이 없이 판매될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

    전자총(231)은 방사선(241)의 빔을 방사원(235)으로부터 수광하도록 구성된다. 방사원(235)은, 예를 들어 레이저 빔(241)을 방출하는 레이저(235)를 포함할 수도 있다. 레이저(235)는 광전음극 구동 레이저로 지칭될 수 있다. 레이저 빔(241)은 레이저 빔 조절 유닛(238)을 통해 윈도우(237)를 거쳐 진공 챔버(232) 내로 디렉팅된다. 레이저 빔(241)은 광전음극(243) 상에 입사하도록 미러(239)에 의해 반사된다. 미러(239)는, 예를 들어 미러(239)가 전기적으로 충전되는 것을 막기 위하여 금속처리되고 접지에 연결될 수 있다.

    레이저 빔 조절 유닛(238), 윈도우(237) 및 미러(239)는 모두, 레이저 빔(241)을 광전음극(243)의 영역에 디렉팅하는 빔 전달 시스템의 부품으로 간주될 수 있다. 다른 실시예들에서, 빔 전달 시스템은 빔 조절 유닛(238), 윈도우(237) 및 미러(239) 보다 더 많거나 적은 개수의 컴포넌트를 포함할 수 있고 다른 광학 컴포넌트를 포함할 수도 있다. 빔 전달 시스템은 레이저 빔(241)을 광전음극(243)의 영역에 디렉팅하기에 적합한 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇 가지 실시예들에서, 빔 전달 시스템은 레이저(235)를 지지하여 레이저(235)에 의하여 방출된 레이저 빔(241)이 광전음극(243)의 영역으로 디렉팅되게 하는 지지체로만 이루어질 수 있다.

    광전음극(243)은 전자총(232)의 일부를 형성할 수도 있는 전압원(미도시)을 사용하여 높은 전압에서 유지될 수도 있고 전자총(232)과 별개일 수도 있다. 예를 들어, 광전음극(243)은 약 수백 킬로볼트의 전압에 유지될 수도 있다. 레이저 빔(241)의 광자는 광전음극(243)에 의하여 흡수되고 광전음극(243) 내의 전자를 더 높은 에너지 상태로 여기시킬 수 있다. 광전음극(243)의 일부 전자는 광전음극(243)으로부터 방출되는 충분히 높은 에너지 상태로 여기될 수 있다. 광전음극(243)의 높은 전압은 음수이고, 따라서 광전음극(243)으로부터 방출되는 전자를 광전음극(243)으로부터 멀어지게 가속하고, 따라서 전자의 빔(E)을 형성한다.

    위에 언급된 바와 같이, 레이저 빔(241)은 전자들이 광전음극(243)으로부터 레이저 빔(241)의 펄스에 대응하는 다발로서 방출되도록 펄스형일 수 있다. 그러므로 전자빔(E)은 다발형 전자빔이다. 레이저(235)는, 예를 들어 피코초 레이저일 수도 있고, 따라서 레이저 빔(241) 내의 펄스는 약 수 피코초의 지속기간을 가질 수도 있다. 광전음극(243)의 전압은 DC 전압 또는 AC 전압일 수도 있다. 광전음극(243)의 전압이 AC 전압인 실시예들에서, 광전음극 전압의 주파수 및 위상은, 레이저 빔(241)의 펄스가 광전음극(243)의 전압에 있는 피크와 일치하도록 레이저 빔(241)의 펄스와 매칭될 수도 있다.

    자유 전자 레이저(FEL)로부터 방출되는 방사선의 양은 언듈레이터(24) 내의 전자빔(E)의 피크 전류에 적어도 부분적으로 의존한다. 언듈레이터(24) 내의 전자빔(E)의 피크 전류를 증가시키고, 따라서 자유 전자 레이저(FEL)로부터 방출되는 방사선의 양을 증가시키기 위하여, 광전음극(243)으로부터 방출되는 전자 다발의 피크 전류를 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 광전음극(243)이 1 밀리암페어가 넘는 피크 전류를 가지는 전자 다발을 방출하는 것이 바람직할 수 있다.

    레이저 빔(241)으로부터의 광자당 광전음극(243)에 의하여 방출되는 전자들의 개수가 광전음극의 양자 효율로 알려진다. 레이저 빔(241)의 광자의 주어진 개수에 대하여 큰 피크 전류(예를 들어 1 밀리암페어보다 더 큰 피크 전류)를 가지는 전자빔(E)이 광전음극(243)으로부터 방출되도록, 광전음극(243)은 높은 양자 효율을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어 광전음극(243)은 하나 이상의 알칼리 금속을 포함할 수 있고, 하나 이상의 알칼리 금속 및 안티몬을 포함하는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 재료의 막(63)은 나트륨 칼륨 안티몬화물을 포함할 수 있다. 이러한 광전음극(243)은 예를 들어 수 퍼센트의 양자 효율을 가질 수 있다. 예를 들어 광전음극(243)은 약 5%의 양자 효율을 가질 수 있다(이것은 높은 양자 효율이라고 간주될 수 있다).

    진공 챔버(232)는 전자총(231)으로부터 전자 부스터(233)를 관통하여 연장되고, 따라서 전자빔(E)이 지나가는 빔 통로(234)를 형성한다. 빔 통로(234)는 축(245)을 중심으로 연장한다. 전자빔(E)이 에너지 회수를 사용하지 않는 선형 가속기로 직접적으로 전달되는 일 실시예에서, 축(245)은 선형 가속기(22)를 통과하는 전자빔(E)의 원하는 경로에 대응할 수 있고, 그 중심으로 전자가 언듈레이터(24) 내의 발진 경로를 따라가는 축일 수 있다(전술된 바와 같음). 전자빔(E)이 병합 유닛을 통해 전달되어 재순환 전자빔과 만나는 일 실시예에서, 축(245)은 주입기(230)를 벗어날 때의 전자빔(E)의 원하는 경로에 대응할 수 있다(원하는 경로란 전자빔이 쌍극 자석에 의하여 원하는 입사각으로 병합 유닛으로 전달될 경로이다).

    축(245)은 빔 통로(234)의 기하학적 중심 및/또는 광전음극(243)의 기하학적 중심과 만날 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 축(245)은 빔 통로(234)의 기하학적 중심 및/또는 광전음극(243)의 기하학적 중심으로부터 분리될 수 있다. 일반적으로 축(245)은, 전자빔이 조향 유닛(240)을 통과한 이후에 전자빔(E)이 실질적으로 만나는 것이 바람직한 축이다.

    광전음극(243)으로부터 방출된 전자 다발에 있는 전자들은 전자들 사이에 작용하는 정전기 척력에 의하여 서로 멀어지게 반발된다. 이것이 공간 전하 효과이고, 전자 다발이 확산되게 할 수 있다. 위치 및 모멘텀 위상 공간에서 전자 다발이 확산되는 현상은 전자빔(E)의 이미턴스에 의하여 특징지어질 수 있다. to 공간 전하 효과에 의한 전자 다발의 확산은 전자빔(E)의 이미턴스를 증가시킨다. 전자빔(E)은 선형 가속기(22, 122, 150) 및 언듈레이터(24, 124)(도 3 및 도 10 참조)에서 낮은 이미턴스를 가지는 것이 바람직할 수 있는데, 이것은 그러면 전자로부터의 에너지가 언듈레이터(24) 내의 방사선으로 변환되는 효율이 증가될 수 있기 때문이다.

    전자빔(E)의 이미턴스가 증가되는 것을 제한하기 위하여, 전자빔이 전자 부스터(233) 내에서 가속된다. 전자 부스터(233) 내의 전자 다발을 가속하면, 공간 전하 효과에 의하여 야기된 전자 다발의 확산을 감소시킨다. 전자빔(E)의 이미턴스가 공간 전하 효과 때문에 크게 증가하기 이전에 광전음극(243)에 근접한 전자빔(E)을 가속하는 것이 유리하다(전자 부스터(233)를 이용함).

    전자 부스터(233)는, 예를 들어 전자 다발을 약 0.5 MeV가 넘는 에너지로 가속할 수도 있다. 몇 몇 실시예들에서, 전자 부스터(233)는 전자 다발을 에너지 약 5 MeV가 넘는 에너지로 가속할 수도 있다. 몇 몇 실시예들에서, 전자 부스터(233)는 전자 다발을 에너지 약 10 MeV까지의 에너지로 가속할 수도 있다. 전자 부스터(233)는, 예를 들어 전자 다발을 약 10 MeV의 에너지로 가속할 수도 있다.

    몇 가지 실시예들에서, 전자 부스터(233)는 도 12 에서 도시되는 바와 같은 조향 유닛(240)의 상류에 반대로, 조향 유닛(240)의 하류에 포지셔닝될 수 있다.

    전자 부스터(233)는 전술된 선형 가속기(22)와 유사한 방식으로 동작할 수 있고, 예를 들어 복수 개의 무선 주파수 공동(247)(도 12 에서 도시됨) 및 하나 이상의 무선 주파수 파워 소스(미도시)를 포함할 수도 있다. 무선 주파수 파워 소스는 빔 통로(234)의 축(245)을 따라 전자기장을 제어하도록 동작가능할 수도 있다. 전자 다발이 공동(247) 사이에서 지나갈 때에, 무선 주파수 전력원에 의하여 제어되는 전자기장은 각각의 전자 다발이 가속되게 한다. 공동(247)은 초전도 무선 주파수 공동일 수도 있다. 대안적으로는, 공동(247)은 통상적으로 도전형이고(즉 초전도형이 아님), 예를 들어 구리로 제조될 수도 있다. 전자 부스터(233)는 선형 가속기를 포함할 수 있다.

    다른 실시예에서, 전자 부스터(233)는 예를 들어 레이저 가속기를 포함할 수 있는데, 전자빔(E)은 집광된 레이저 빔을 통과하고 레이저 빔의 전기장은 전자들이 가속하게 한다. 다른 유형들의 전자 부스터도 역시 사용될 수 있다.

    전자빔(E)은 빔 통로(234)를 따라 이동하고 병합 유닛(33, 133)으로(LINAC이 사용되는 경우) 또는 직접적으로 선형 가속기로(비-에너지 회수 선형 가속기가 사용되는 경우) 지나간다. 빔 통로(234)는 진공 압력 상태로 펌핑되지만 일부의 잔류 가스 분자를 포함할 수 있다. 전자빔(E)은 잔류 가스 분자와 충돌할 수 있고 가스 분자를 이온화하여, 양이온을 생성할 수 있다. 전자의 에너지는 가속되는 경우 증가하고, 이렇게 에너지가 증가되면 더 많은 이온들이 생성되게 된다.

    자유 전자 레이저(FEL) 전체의 양으로 하전된 이온은 그 음의 전하가 양이온에 대해 포텐셜 우물로서 역할을 하는 전자빔(E)의 경로로 끌어당겨진다. 이온들은 전자 보다 훨씬 큰 질량을 가지고, 결과적으로 예를 들어 전자 부스터(233)의 공동(247)에 의하여 가속되지 않는다. 이온은 빔 통로(234)를 따라 확산될 것이고, 예를 들어 다시 주입기(230)로 이동된다. 주입기(230)에 도달하는 이온은 광전음극(243)의 전압 때문에 광전음극(243)으로 당겨지고, 광전음극(243)과 충돌할 수 있다.

    주입기(230)로 되돌아가는 양의 이온은 전자빔(E)의 경로를 따라 이동할 것이다. 이온 주입기를 향해 이동된 경로의 마지막 부분은 선형일 것이다(예를 들어 도 11 에 도시되는 경로 주입기(130)와 사극 자석(183) 사이의 경로에 대응함). 이러한 선형 경로는 예를 들어 주입기(130)를 보유하는 공간의 벽을 통과할 수 있다. 선형 경로는 솔레노이드 내에 위치될 수도 있다. 양의 이온에 의하여 이동되는 선형 경로는 도 12 에 도시된 축(245)에 대응할 수 있다.

    광전음극(243)과 이온이 충돌하면 광전음극(243)을 손상시킬 수 있다. 특히, 이온과 광전음극(243)이 충돌하면 광전음극(243)으로부터의 재료의 스퍼터링을 야기할 수 있다. 광전음극(243)에 손상이 생기면 광전음극(243)의 조성에 변화가 생길 수 있는데, 이것이 광전음극(243)의 양자 효율을 감소시키고, 따라서 광전음극(243)으로부터 방출되는 전자빔(E)의 피크 전류를 감소시킬 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 이온 충돌에 의하여 광전음극(243)에 손상이 생기면 광전음극(243)의 표면 거칠기가 증가할 수 있다. 광전음극(243)의 표면 거칠기가 증가하면 광전음극(243)으로부터 방출되는 전자빔(E)의 이미턴스가 증가될 수 있으며, 및/또는 광전음극(243)의 양자 효율이 감소될 수 있다. 그러므로, 광전음극(243)에 이온이 충돌하면, 시간이 지남에 따라서 전자빔(E)의 피크 전류가 감소되고 및/또는 전자빔(E)의 이미턴스가 증가될 수 있다.

    광전음극(243)과의 이온의 충돌 효과에 추가하여, 레이저 빔(241)은 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역에 손상이 생기게 할 수 있다. 이온 충돌의 효과와 유사하게, 레이저 빔(241)은 표면 거칠기가 증가하게 하고 및/또는 광전음극(243)의 조성이 변경되게 할 수 있으며, 이것이 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역의 양자 효율을 감소시킬 수 있고 해당 영역으로부터 방출되는 전자빔(E)의 이미턴스를 증가시킬 수 있다.

    이온 충돌 및/또는 레이저 빔(241)에 의하여 광전음극(243)에 손상이 생기면 광전음극의 유효 수명이 줄어들 수 있다. 그러므로 광전음극(243)에 생기는 손상을 감소시키는 것 및/또는 피크 전류 시에 광전음극(243)에 가해지는 손상의 영향과 광전음극(243)으로부터 방출된 전자빔(E)의 이미턴스를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 그러면 광전음극(243)의 실효 수명을 증가시킬 수 있다.

    도 13 은 축(245)과 나란히 바라본 광전음극(243)의 개략도이다. 위에서 언급된 바와 같이, 이온은 전자빔(E)에 의하여 발생된 포텐셜 우물 때문에 전자빔(E)과 정렬된다. 전자빔(E)의 경로는 일반적으로 주입기(230)로부터 통과하는 동안 축(245)과 실질적으로 일치할 수 있다. 이러한 이온이 주입기(230)에 진입하고 광전음극(243)과 충돌하는 경우에, 이들은 따라서 축(245)이 광전음극(243)과 만나는 위치에 근접하여 광전음극(243)과 충돌할 것이다. 그러므로 광전음극(243)과 충돌하는 다수의 이온들은 축(245)(광전음극의 기하학적 중심에 대응할 수 있음)을 둘러싸는 충돌 영역(249)(도 13 에 도시됨) 내에서 광전음극(243)에 영향을 줄 수 있다.

    충돌 영역(249) 내에 이온이 충돌하면 광전음극(243)의 조성을 변경하고 및/또는 이러한 영역(249) 내에서 광전음극(243)의 표면 거칠기를 증가시킬 수 있다. 그러므로 충돌 영역(249)으로부터 방출되는 전자빔(E)은, 충돌 영역(249) 이외의 광전음극(243)의 영역으로부터 방출된 전자빔(E) 보다 더 낮은 피크 전류(충돌 영역(249)에서 양자 효율이 감소되기 때문) 및/또는 더 높은 이미턴스를 가질 수 있다. 피크 전류를 증가시키고 및/또는 전자빔(E)의 이미턴스를 감소시키기 위하여, 레이저 빔(241)은 축(245)으로부터 그리고 충돌 영역(249)으로부터 분리된 광전음극(243)의 조명된 영역(251)에 입사되도록 디렉팅될 수 있다. 예를 들어, 조명된 영역(251)은 대략 수 밀리미터의 거리만큼 축(245)으로부터 분리될 수 있다. 조명된 영역이 축(245)으로부터 분리되기 때문에 상대적으로 적은 수의 이온들이 조명된 영역(251)과 충돌한다. 그러므로 조명된 영역(251)의 조성 및 표면 거칠기는 광전음극(243)과의 이온 충돌에 의하여 크게 감소되지 않을 수 있고, 따라서 높은 피크 전류와 낮은 이미턴스를 가지는 전자빔(E)이 조명된 영역(251)으로부터 방출될 수 있다.

    레이저 빔(241)을 축(245)으로부터 분리된 광전음극(243)의 조명된 영역(251)에 입사하도록 디렉팅하면, 조명된 영역(251)으로부터 방출된 전자빔(E)의 위치가 위치 오프셋(253)만큼 축(245)으로부터 천이되게 된다. 전자빔(E)이 축(245)으로부터 분리된 위치에서 광전음극(243)으로부터 방출되면, 광전음극(243)과 연관된 전기장은 전자빔(E)이 도 12 에 도시되는 것과 같이 광전음극의 표면과 수직이 아닌 각도(252)로 방출되게 할 수 있다. 예를 들어, 광전음극(243)의 기하학적 중심이 축(245)과 일치하는 실시예들에서는, 실질적으로 축(245)에서 방출되는 전자들만이 광전음극(243)의 표면에 수직인 방향으로 방출된다. 그러므로 전자빔(E)은 축(245)으로부터 위치의 변위(253) 및 각도 변위(252)를 가지고 방출될 수 있다.

    주입기 장치의 후속 컴포넌트(예를 들어 병합 유닛 또는 선형 가속기)는 그 위치 및 궤적이 축(245)과 실질적으로 일치하는 전자빔(E)을 가속하도록 구성될 수 있다. 그러므로, 전자빔(E)이 주입기(230)를 벗어날 때에 축(245)과 실질적으로 일치하게 하도록 축(245)으로부터의 위치의 변위(253) 및 각도 변위(252)를 정정하기 위하여, 전자빔(E)의 궤적을 변경하는 것이 바람직할 수 있다.

    전자빔(E)을 축(245)과 정렬시키기 위하여, 전자빔(E)은 조향 유닛(240)(도 12 에 도시됨)으로 조절된다. 조향 유닛(240)은 전자빔(E) 궤적이 조향 유닛(240)을 벗어날 때에 축(245)과 실질적으로 일치하도록 전자빔(E)의 궤적을 변경하도록 구성된다. 예를 들어 조향 유닛(240)은 빔 통로(234) 내에 자기장을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 전자석을 포함할 수 있다. 자기장은 전자빔(E)의 궤적을 변경하는 역할을 하는 힘을 전자빔(E)에 인가할 수 있다. 도 12 에서 도시되는 실시예에서, 전자빔의 궤적은 전자들이 축(245)과 실질적으로 일치될 때까지 조향 유닛(240)에 의하여 변경된다.

    조향 유닛이 하나 이상의 전자석을 포함하는 실시예들에서, 전자석은 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(240)은 추가적으로 또는 대안적으로, 전자빔(E)에 힘이 인가되도록 빔 통로(234) 내에 전기장을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 전기적으로 충전된 플레이트를 포함할 수 있다. 일반적으로 조향 유닛(240)은 전자빔(E)에 힘을 가해서 전자들이 축(245)과 일치하도록 그 궤적을 변경하게 동작가능한 임의의 장치를 포함할 수 있다.

    조향 유닛(240)을 통과하는 임의의 이온의 질량-전하비는 전자빔(E) 내의전자들의 질량-전하비 보다 훨씬 더 크다. 그러므로 조향 유닛(240)은 광전음극(243)을 향해 조향 유닛(240)을 통과하는 이온의 위치 또는 이동 방향을 크게 조절하지 않는다. 주입기(230) 안으로 들어가는 이온들(예를 들어 선형 가속기(22)에서 나온 이온)은 충분한 모멘텀을 가짐으로써, 주입기(230) 내에서 전자빔(E)에 의하여 생성되는 포텐셜 우물이 주입기(230) 내에서 이온의 경로를 크게 변경하지 않는다. 이것은 이온의 경로(축(245)과 실질적으로 일치할 수 있음)를 주입기(230) 내의 전자빔(E)으로부터 분리하는 효과를 가지며, 광전음극(243) 상의 충돌 영역(249)의 위치가 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역(251)으로부터 분리되게 한다. 이것은 전자빔(E)이 방출되는 광전음극(243)의 조명된 영역(251)이 이온 충돌로 인한 손상에 노출되는 충돌 영역(249)으로부터 분리되게 보장한다. 이것은 광전음극(243)과의 이온 충돌이 피크 전류를 크게 감소시키거나 전자빔(E)의 이미턴스를 크게 증가시키지 않도록 보장할 수 있다.

    그러나 위에 언급된 바와 같이, 광전음극(243)에 입사하는 레이저 빔(241)은 시간이 지남에 따라서 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역에 손상을 입힐 수 있고, 피크 전류를 감소시키고 및/또는 광전음극(243)으로부터 방출되는 전자빔(E)의 이미턴스를 증가시킬 수 있다. 레이저 빔(241)에 의하여 야기된, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역(251)에 손상이 발생하는 것에 추가하여, 조명된 영역(251)은 가스 분자와 조향 유닛(240)을 아직 통과하지 않은 전자 사이의 충돌에 의하여 주입기(230) 내에 생성되는 이온들에 의해서도 역시 손상될 수 있다. 조향 유닛(240)이전에 생성된 이온들은 조향 유닛(240) 이전에 전자빔(E)의 경로로 끌어당겨질 수 있고, 따라서 전자빔(E)의 경로를 따라 확산되어 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역(251)과 충돌할 수 있다. 그러나, 일반적으로, 주입기의 하류의 위치에 있는 것보다 주입기(230) 내에 더 적은 수의 이온들이 생성되고, 따라서 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역(251)에 발생되는 이온 손상은 충돌 영역(249)에 발생되는 이온 손상보다 중요도가 더 적을 수 있다.

    광전음극(243)의 유효 수명을 증가시키기 위하여, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역(251)은 변경될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔이 조명된 영역(251)에 입사되며 조명된 영역(251)이 손상되게 될 수 있는 시간 기간이 지난 이후에, 광전음극 상의 레이저 빔(241)의 위치는 새로운 조명된 영역(251')으로 변경될 수 있다(도 13 에 도시된 바와 같이). 레이저 빔(241)은 새로운 조명된 영역(251')이 손상될 때까지 추가적인 시간 기간 동안 새로운 조명된 영역(251')에 입사할 수 있다. 그러면 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역은 다시 한번 다른 새로운 조명된 영역(미도시)으로 변경될 수 있다. 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역의 위치는 되풀이되어 변경될 수 있고, 이를 통하여 이전에 조명되어 손상된 적이 없는 광전음극(243)의 새로운 영역을 조명하기 위하여 광전음극(243)에 걸쳐 레이저 빔(241)을 스캐닝한다.

    그러면 광전음극(243)의 큰 영역이 광전음극(243)의 수명에 걸쳐서 전자빔(E)을 방출하도록 사용될 수 있게 될 수 있으며, 따라서 광전음극(243)의 총 유효 수명을 증가시킬 수 있다. 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역을 변경하면, 예를 들어 광전음극(243)의 유효 수명이 10 이상의 인자로 증가되게 할 수도 있다.

    레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극의(243) 영역은 연속적으로 변경될 수 있고, 또는 단계별로 변경될 수 있다. 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역은 단계별로 변경되고, 단계들은 주기적으로 발생할 수 있다. 다른 실시예에서, 단계들은 비주기적으로 발생할 수 있다.

    레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역은, 예를 들어 레이저 빔 조절 유닛(238)(도 12 에 도시됨)에 의하여 변경될 수 있다. 레이저 빔 조절 유닛(238)은 하나 이상의 미러, 렌즈 또는 레이저 빔(241)의 하나 이상의 속성을 변경하기에 적합한 다른 광학 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어 레이저 빔 조절 유닛(238)은, 레이저 빔(241)이 미러(239)에 입사하는 위치 및 레이저 빔(241)이 광전음극(243)에 입사하는 위치가 변경되도록 레이저 빔(241)의 전파 방향을 변화시킬 수도 있다.

    다른 실시예에서, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역은 미러(239)의 위치 및/또는 방위를 변경함으로써 변경될 수 있다. 예를 들어, 미러(239)는 레이저 빔(241)이 미러(239)로부터 반사되는 방향을 변경하기 위하여 틸트 및/또는 이동되어, 이를 통하여 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역을 변경할 수 있다. 미러(239)의 위치 및/또는 방위는 미러(239)의 위치 및/또는 방위를 변경하도록 동작가능한 액츄에이터(미도시)를 사용하여 변경될 수 있다.

    또 다른 실시예에서, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역은 레이저(235)의 위치 및/또는 방위를 변경함으로써 변경될 수 있다. 예를 들어 레이저(235)는 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역을 변경하기 위하여 틸트 및/또는 이동될 수 있다. 레이저(235)의 위치 및/또는 방위는 레이저(235)의 위치 및/또는 방위를 변경하도록 동작가능한 액츄에이터(미도시)에 의하여 변경될 수 있다.

    또 다른 실시예에서, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역은 광전음극(243)의 위치 및/또는 방위를 변경함으로써 변경될 수 있다. 예를 들어, 광전음극(243)은 레이저 빔(241)의 위치가 일정하게 유지되는 동안 회전되어, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역이 광전음극(243) 상에서 회전하게 할 수 있다. 대안적으로는 광전음극(243) 및 레이저 빔(241)의 위치 및/또는 방위 양자 모두가 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역을 변경하기 위하여 변경될 수 있다.

    광전음극(243)의 위치 및/또는 방위는 액츄에이터(미도시)에 의하여 변경될 수 있다. 예를 들어, 지지 구조체(242)는 광전음극(243)의 위치 및/또는 방위를 변경하도록 동작가능한 액츄에이터를 포함할 수 있다.

    레이저 빔 조절 유닛(238), 미러(239)의 위치 및/또는 방위를 변경하도록 동작가능한 액츄에이터, 레이저(235)의 위치 및/또는 방위를 변경하도록 동작가능한 액츄에이터, 및 광전음극(243)의 위치 및/또는 방위를 변경하도록 동작가능한 액츄에이터는 모두 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역을 변경하도록 동작가능한 조절 메커니즘의 예들이다. 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역을 변경하기 위하여 다른 조절 메커니즘이 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 각각의 조절 메커니즘은 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역을 변경하기 위하여 개별적으로 또는 하나 이상의 다른 조절 메커니즘과 조합되어 사용될 수 있다.

    레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역은 축(245)으로부터의 전자빔(E)의 각도 변위(252) 및 위치의 변위(253)를 결정할 수 있다. 그러므로 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역이 변경되면, 축(245)으로부터의 각도 및/또는 위치의 변위에 대응하는 변화가 생기게 될 수 있다. 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역의 변경에 응답하여, 조향 유닛(240)은, 전자빔(E)의 궤적이 그것의 자신의 조절된 각도 및 위치의 변위로부터 변경됨으로써 전자빔(E)이 조절 동작 이후에 축(245)과 계속 일치하도록, 전자들의 빔(E)에 인가되는 힘을 조절할 수 있다. 그러므로, 조향 유닛(240)은 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역에 응답하여 전자들의 빔(E)에 인가되는 힘을 조절하도록 동작가능할 수 있다.

    조향 유닛(240)이 하나 이상의 전자석을 포함하는 실시예에서, 조향 유닛(240)은 하나 이상의 전자석의 코일에 흐르는 하나 이상의 전류를 조절할 수 있다. 하나 이상의 전류를 조절하면, 조향 유닛(240)에 의하여 생성되는 자기장이 변하게 할 수 있고, 따라서 조향 유닛(240)에 의하여 전자빔(E)에 인가되는 힘을 변경할 수 있다.

    다른 실시예에서, 조향 유닛(240)은 기계적으로 이동가능할 수 있다. 예를 들어, 조향 유닛(240)은 전자빔(E)에 인가되는 힘을 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역이 변경되는 것에 응답하여 조절하기 위하여 틸트, 회전 및/또는 천이될 수 있다.

    조향 유닛(240) 은제어기(236)(도 12 에 도시됨)에 의하여 제어될 수 있다. 제어기(236)는 추가적으로 또는 대안적으로 레이저 빔 조절 유닛(238)을 제어할 수 있다. 예를 들어 제어기(236)는 프로그래밍가능한 로직 제어기일 수 있다. 제어기(236)는 레이저 빔 조절 유닛(238)이 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역을 변경하도록 할 수 있다. 더 나아가 제어기(236)는 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역의 변경에 응답하여 조향 유닛(240)이 전자빔(E)에 인가되는 힘을 조절하도록 하여, 전자빔(E)이 조절 이후에 계속하여 축(245)과 일치하게 할 수 있다. 예를 들어, 조향 유닛(240)은 조향 유닛(240)의 하나 이상의 전자석에 흐르는 하나 이상의 전류를 조절하여 전자들의 빔(E)에 인가되는 힘을 조절할 수 있다.

    다른 실시예에서, 제어기(236)는 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역이 변경되게 하기 위하여 레이저(235), 미러(239) 및 광전음극(243) 중 하나 이상을 제어할 수 있다. 일반적으로, 제어기(236)는 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역을 변경하도록 동작가능한 임의의 조절 메커니즘을 제어할 수 있다.

    몇 가지 실시예들에서, 조향 유닛(240)은 전자빔(E)의 측정에 응답하여 전자들의 빔에 힘을 인가할 수 있다. 예를 들어, 전자빔 측정 디바이스(미도시)가 전자빔(E)에 근접하게 위치되어 전자빔(E)의 위치를 측정할 수 있다. 조향 유닛(240)은 전자들이 축(245)과 일치하도록 전자빔(E)을 계산하고 인가하기 위하여 전자빔(E)의 측정치를 사용할 수 있다. 레이저 빔(241)이 입사되는 광전음극의 영역이 변경되면, 이것은 전자빔 측정 디바이스에 의하여 측정될 수 있는 전자빔(E)의 위치가 변경되게 할 수 있다. 전자빔 측정 디바이스는 전자빔의 위치의 이러한 변경을 조향 유닛(240)으로 통신할 수 있다. 조향 유닛(240)은 전자빔(E)의 위치의 변경에 응답하여 전자빔(E)에 인가되는 힘을 조절하여, 조향 유닛에 의하여 인가되는 힘이 전자들이 축(245)과 일치하도록 전자빔(E)의 궤적을 변경하게 할 수 있다.

    일 실시예에서, 레이저 빔 측정 디바이스 및 제어기(236)는 조합되어 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 레이저 빔 측정 디바이스는 제어기(236)와 통신 상태일 수 있다.

    몇 가지 실시예들에서, 조향 유닛(240)은 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역이 변경되는 것에 응답하여 전자빔(E)에 인가되는 힘을 조절하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역이 레이저 빔(241)의 위치가 일정하게 유지되면서 광전음극(243)을 회전시킴으로써 변경되는 실시예에서, 축(245)으로부터의 전자빔(E)의 위치의 변위(253) 및 각도 변위(252)는 변하지 않는다. 이러한 실시예에서, 조향 유닛(240)에 의하여 전자빔(E)에 인가되는 힘을 조절하지 않고서 전자들이 축(245)과 일치하도록, 전자빔(E)의 궤적은 조향 유닛(240)에 의하여 계속 변경될 수 있다.

    몇 가지 실시예들에서, 전자총의 위치 및/또는 방위(231)는 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역의 변경에 응답하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역의 변경에 응답하여, 전자총(231)의 위치 및/또는 방위는, 전자총(231)을 벗어나는 전자의 궤적이 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역에 변경이 일어나기 이전의 전자의 궤적과 실질적으로 동일하도록 조절될 수 있다. 이러한 실시예에서, 조향 유닛(240)에 의하여 전자빔(E)에 인가되는 힘은 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 대안적으로는, 전자총의 위치 및/또는 방위(231) 및 조향 유닛(240)에 의하여 전자빔(E)에 인가되는 힘 양자 모두는 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역의 변경에 응답하여 조절될 수 있다.

    전자총(231)의 위치 및/또는 방위는 전자총(231)의 위치 및/또는 방위를 변경하도록 동작가능한 액츄에이터(미도시)를 사용하여 조절될 수 있다. 몇 가지 실시예들에서, 전자 부스터(233)의 위치 및/또는 방위도 전자총의 위치 및/또는 방위(231)의 조절과 함께 조절될 수 있다(예를 들어 액츄에이터를 사용).

    몇 가지 실시예들에서, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역은 레이저 빔(241)이 광전음극(243)에 걸쳐 스캐닝되도록 변경될 수 있다. 레이저 빔(241)은 실질적으로 광전음극(243)들 모두에 걸쳐 스캐닝될 수 있다. 대안적으로는 레이저 빔(241)은 실질적으로 충돌 영역(249)을 제외한 광전음극(243)의 모두에 걸쳐 스캐닝될 수 있다.

    다른 실시예들에서 레이저 빔(241)은 광전음극(243)의 일부만에 걸쳐 스캐닝될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역은 광전음극(243)의 내부 부분(255)에 남아 있을 수 있다(도 13 에 도시됨). 내부 부분(255)은 축(245)으로부터 거리 R 안에 있는 광전음극(243)의 부분에 대응할 수 있다. 거리 R은 조향 유닛(240)이 전자빔(E)의 궤적을 조절하는 힘을 인가하여 전자들이 축(245)과 일치하게 동작할 수 있는, 축(245)으로부터 전자빔(E)의 최대 위치의 변위(253)를 나타낼 수 있다. 예를 들어 내부 영역(255) 밖의 영역으로부터 방출된 전자빔(E)은 축(245)으로부터 멀리 변위될 수 있어서, 전자빔(E)이 조향 유닛(240)에 도달하기 이전에 빔 통로(234)의 외부 범위와 충돌할 수 있다. 대안적으로는 전자빔(E)은 조향 유닛(240)이 전자빔(E)의 궤적을 변경하기에는 너무 멀리 축(245)으로부터 변위되어 조향 유닛(240)에 도달함으로써, 전자들이 축(245)과 일치하게 할 수 있다.

    주입기(230)를 떠나는 전자 다발이 특정 형상 및 전하 분포를 가지는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 전자 다발이 원형 단면을 가지고 자신의 길이를 따라서 균일한 전하 밀도를 가지는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 전자빔(E)의 궤적을 변경하는 것에 추가하여 조향 유닛(240)에 의하여 전자빔(E)에 인가되는 힘도, 전자빔(E)의 다발의 형상 및/또는 전하 분포에 변경이 생기게 할 수 있다. 예를 들어 조향 유닛(240)은 전자들의 다발(E)을 특정 방향으로 압축 또는 확장시킬 수 있다.

    조향 유닛(240)에 의하여 생긴 전자 다발의 형상 및/또는 전하 분포에 발생한 임의의 변화의 영향을 줄이기 위하여, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역의 형상은 조향 유닛(240)을 통과한 이후에 바람직한 형상 및/또는 전하 분포를 가지는 전자 다발을 생성하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역은 타원형 단면을 가지는 전자 다발이 광전음극(243)으로부터 방출되도록 타원 형상으로 성형될 수 있다. 전자 다발은 전자 다발의 타원형 단면의 반장축(semi-major axis)을 따라 조향 유닛(240)에 의하여 후속해서 압축되어, 전자 다발이 주입기(230)를 벗어날 때에 원형 단면을 가지도록 압축되게 할 수 있다.

    일반적으로 레이저 빔에(241) 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역의 형상은, 조향 유닛(240)이 전자들의 빔에 힘을 인가한 이후에 조명된 영역으로부터 방출된 전자들의 빔이하나 이상의 요구되는 속성을 가지도록 제어될 수 있다. 하나 이상의 요구되는 속성은, 예를 들어 특정 형상이거나 및/또는 전자들의 빔의 전자 다발의 전하 분포를 변경할 수 있다.

    조향 유닛(240)에 의하여 전자빔(E)에 인가되는 힘은 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 다른 영역에 대해서 다를 수 있다. 그러므로 조향 유닛(240)에 의하여 발생한 전자 다발의 형상 및/또는 전하 분포의 임의의 변화는 광전음극(243)의 다른 영역으로부터 방출된 다른 전자 다발에 대해서는 다를 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역이 축(245)으로부터 떨어지게 이동되면, 조향 유닛(240)은 전자(E)에 인가되는 힘을 증가시킬 수 있다. 이것도 역시 조향 유닛(240)에 의하여 발생한 전자빔(E) 내의 전자 다발의 형상 및/또는 전하 분포에 발생한 변경을 증가시킬 수 있다.

    광전음극(243)의 다른 영역으로부터 방출된 전자 다발의 형상 및/또는 전하 분포에 발생한 다른 변경에 적응하기 위하여, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역의 형상은 광전음극(243) 상의 레이저 빔(241)의 다른 위치들에 대해서 조절될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역이 축(245)으로부터 멀어지게 이동되면, 광전음극(243)의 타원 모양의 조명된 영역의 이심률(eccentricity)이 증가될 수도 있다. 이것은 광전음극(243)으로부터 방출된 전자 다발의 단면 형상의 이심률을 증가시켜서, 조향 유닛(240) 내에서 전자 다발의 형상이 더 압축되게 할 수 있다. 이것은 조향 유닛(240)을 벗어나는 전자 다발이 바람직한 형상 및/또는 전하 분포를 가지게 보장할 수 있다.

    레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역의 형상은 레이저 빔 조절 유닛(238)에 의하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔 조절 유닛(238)은, 레이저 빔(241)이 입사하는 광전음극의 영역의 형상이 원하는 속성(예를 들어 원하는 형상 및/또는 전하 분포)을 가지는 전자 다발의 방출을 초래하도록 제어되게, 레이저 빔(241)의 형상을 제어할 수 있다. 광전음극(243)으로부터 방출된 전자 다발의 원하는 속성은 조향 유닛(240) 내에서 발생될 것으로 기대되는 전자 다발의 속성 내의 임의의 변화를 고려할 수 있다. 광전음극(243)으로부터 방출된 전자 다발의 원하는 속성은 그로부터 전자 다발이 방출되는 광전음극(243)의 다른 영역에 대해서 다를 수 있다.

    추가적으로 또는 대안적으로, 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 광전음극(243)의 영역의 형상은 미러(239)의 위치 및/또는 방위를 변경시키도록 동작가능한 액츄에이터를 제어함으로써 제어될 수 있다.

    위에 언급된 바와 같이, 조명 영역(251)을 충돌 영역(249)으로부터 분리함으로써, 전자빔(E)은 더 적은 이온 충돌을 수용하는 광전음극의 영역으로부터 방출되고, 따라서 이온 충돌에 의하여 초래되는 손상에 덜 노출된다. 이것은 높은 피크 전류 및 낮은 이미턴스를 가지는 전자빔이 광전음극(243)으로부터 방출될 수 있는 시간 기간을 연장시킬 수 있고, 따라서 광전음극(243)의 유효 수명을 연장할 수 있다.

    그러나, 이온 충돌이 충돌 영역(249) 내의 광전음극(243)으로부터의 재료의 스퍼터링을 초래할 수 있기 때문에, 충돌 영역(249) 외부의 광전음극(243)의 영역은 여전히 충돌 영역(249) 내의 이온 충돌에 의해 영향받을 수 있다. 충돌 영역(249)으로부터 스퍼터링된 재료 중 일부는 광전음극(243)으로 복귀할 수 있고, 충돌 영역(249) 외부의 광전음극(243)의 영역에 침착될 수 있다. 스퍼터링된 재료는, 예를 들어 침착 영역(254) 외부에 침착될 수 있다. 침착 영역(254)은, 예를 들어 도 13 에 도시된 바와 같이 조명된 영역(251, 251')과 중첩할 수 있다.

    광전음극(243)의 침착 영역(254)에 침착된 스퍼터링된 재료는 광전음극(243)의 침착 영역(254)의 전부 또는 일부의 화학적 조성을 변경시킬 수도 있다. 이것은 침착 영역(254)의 전부 또는 일부의 양자 효율이 감소되게 할 수 있다. 예를 들어, 조명된 영역(251)의 전부 또는 일부의 양자 효율은 침착된 스퍼터링된 재료에 의하여 감소될 수 있다. 레이저 빔(241)의 파워가 조명된 영역(251)의 전부 또는 일부의 양자 효율이 감소하는 것에 따라 증가되지 않는다면, 조명된 영역(251)으로부터 방출된 전자빔(E)의 피크 전류는 감소될 것이다.

    스퍼터링된 재료는 광전음극(243)에 걸쳐 비균일하게 침착될 수 있다. 예를 들어, 충돌 영역(249)으로부터 더 멀리 떨어진 지역에 침착될 양보다 더 많은 스퍼터링된 재료가 충돌 영역(249)에 더 가까운 광전음극(243)의 영역에 침착될 수 있다. 이것은, 예를 들어 광전음극(243)의 양자 효율에 방사상 구배가 생기게 할 수 있다.

    광전음극(243)의 양자 효율에 방사상 구배가 발생하면 광전음극(243)으로부터 방출된 전자 다발의 비균일한 전하 분포가 생길 수 있다. 예를 들어, 조명된 영역(251)의 양자 효율은 충돌 영역(249)에 더 가까운 조명된 영역(251)의 일부에서보다 충돌 영역(249)으로부터 더 멀리 떨어진 조명된 영역(251)의 일부에서 더 클 수 있다. 그러므로, 레이저 빔(241)의 펄스가 조명된 영역(251)에 입사하면, 더 낮은 양자 효율을 가지는 부분으로부터 방출된 것보다 더 많은 전자들이 더 높은 양자 효율을 가지는 조명된 영역(251)의 부분으로부터 방출된다. 그러므로 비균일한 전하 분포를 가지는 전자 다발이 방출될 것이다. 전자 다발로부터의 에너지가 언듈레이터(24) 내의 방사선으로 변환되는 효율이 비균일한 전하 분포를 가지는 전자 다발에 대해서는 감소될 수 있기 때문에, 이것은 불리할 수도 있다.

    광전음극(243)에 침착된 스퍼터링된 재료에 의하여 초래된 광전음극(243)의 양자 효율의 비균일한 분포는 또한 광전음극(243)으로부터 방출되는 전자빔(E)의 전류에 불안정성이 생기게 할 수도 있다. 전류 불안정성은 성질상 불규칙적일 수 있고, 높은 주파수를 가질 수 있다. 이러한 전류 불안정성은 예측하기 어려우며, 예를 들어 레이저 빔(241)의 파워를 변조하여 정정하기가 어렵다.

    광전음극(243)으로부터의 재료의 스퍼터링을 일으키는 것에 추가하여, 광전음극(243)과 충돌하는 이온들은 그들의 에너지의 일부를 열 에너지의 형태로 광전음극(243)으로 전송할 수도 있다. 이것이 광전음극(243)의 영역이 가열되게 할 수 있다. 광전음극(243)이 가열되면 광전음극(243)으로부터 전자의 일부 열이온 방출을 초래할 수 있다. 광전음극(243)으로부터의 전자의 열이온 방출은 레이저 빔(241)의 펄스 동안에 그리고 레이저 빔(241)의 펄스들 사이의 시간에서 발생할 수 있다. 따라서 전자들은 광전음극(243)이 레이저 빔(241)에 의하여 조명되지 않는 시간 동안에 방출될 수 있다. 광전음극(243)이 레이저 빔(241)에 의하여 조명되지 않는 시간에 방출되는 전자들은, 암전류라고 불리는, 광전음극(243)으로부터의 전자의 흐름을 초래한다.

    암전류 전자들은 전자 부스터(233) 또는 선형 가속기(들)(22, 122, 150) 내의 고주파수 반전 전자기 필드와 동기되지 않는다. 그러므로 암전류 전자들은 이들이 전자 부스터(233) 및/또는 선형 가속기(들)(22, 122, 150)에 도달하는 시간에 따라서 에너지의 넓은 범위를 가질 수 있다. 암전류 전자의 에너지 범위가 넓으면, 자유 전자 레이저(FEL) 내의 전자를 디렉팅하거나 집광하도록 설계될 수도 있는 자유 전자 레이저(FEL)의 엘리먼트가 암전류 전자에 변동하는 영향을 줄 수 있다는 것을 의미한다. 그러므로 암전류 전자는 제어하기가 어려운 부유 전자(stray electron)일 수 있다.

    부유 암전류 전자는 자유 전자 레이저(FEL)의 엘리먼트와 충돌하여 자유 전자 레이저의 엘리먼트를 손상시킬 수 있다. 예를 들어, 암전류 전자는 언듈레이터(24, 124)의 자기 컴포넌트와 충돌할 수 있다. 그러면 언듈레이터의 유효 수명을 감소시킬 수 있는 언듈레이터의 탈자기화가 생길 수 있다. 또한, 전자들은 빔 통로(234)의 외부 범위(outer extent)와 같은 자유 전자 레이저의 다른 컴포넌트들과 충돌할 수 있는데, 이것이 빔 통로(234)가 방사성이 되게 할 수 있다.

    위에서 설명된 바와 같이, 광전음극(243)과 이온이 충돌하면 광전음극(243)으로부터의 재료가 스퍼터링되거나 및/또는 광전음극(243)이 가열되어 광전음극(243)으로부터 암전류가 더 많이 방출되게 할 수 있다. 이러한 효과들 양자 모두는 위에서 설명된 바와 같이 자유 전자 레이저에 불리한 영향을 가질 수 있다. 그러므로 광전음극(243)으로부터의 재료의 스퍼터링을 감소시키거나 피하고 및/또는 광전음극(243)과 이온이 충돌하는 경우 광전음극(243)이 가열되는 것을 감소시키는 광전음극(243)을 제공하는 것이 바람직하다.

    도 14 는 본 발명의 일 실시예에 따르는 광전음극의 개략도이다. 도 14 는 광전음극(243)의 단면도이다(이것은 위에서 봤을 때 도 13 에 도시되는 형태를 가질 수 있음). 광전음극(243)은 그 위에 재료의 막(263)이 배치되는 기판(261)을 포함한다. 기판은, 예를 들어 실리콘, 몰리브덴, 스테인레스 강철 또는 다른 적합한 재료를 포함할 수 있다. 기판(261) 상에 재료의 막(263)이 잘 침착되게 하기 위하여 기판(261)은 연마될 수 있다.

    재료의 막(263)은 높은 양자 효율을 가지는 재료를 포함할 수 있다. 재료의 막(263)은, 예를 들어 수 퍼센트의 양자 효율을 가질 수 있다. 예를 들어, 재료의 막(263)은 약 5%의 양자 효율을 가질 수 있다(이것은 높은 양자 효율이라고 간주될 수 있다). 재료의 막(263)은 그 위에 레이저 빔(241)이 입사되고 그로부터 전자들의 빔(E)이 방출되는 표면(264)을 가진다. 표면(264)은 전자 방출면이라고 불릴 수 있다.

    재료의 막(263)은 하나 이상의 알칼리 금속을 포함하는 재료일 수 있다. 재료의 막(263)은 하나 이상의 알칼리 금속 및 안티몬을 포함하는 화합물일 수 있다. 예를 들어, 재료의 막(263)은 나트륨 칼륨 안티몬화물을 포함할 수 있다. 재료의 막(263)의 컴포넌트는 기판(261) 상에 개별적으로 침착될 수 있다. 예를 들어, 재료의 막(263)이 나트륨 칼륨 안티몬화물의 막을 포함하는 실시예에서, 안티몬화물은 우선 기판 상에 침착될 수 있고, 그 후에 칼륨과 나트륨이 순차적으로 침착될 수 있다. 재료의 막(263)은 원자 기상 증착에 의하여 기판(261) 상에 침착될 수 있다. 기판(261)은 침착 프로세스 도중에 가열될 수 있다.

    재료의 막(263)의 두께(267)는 1 마이크론보다 훨씬 더 작을 수 있다. 예를 들어, 재료의 막(263)의 두께(267)는 약 수십 나노미터일 수 있다. 기판(261)의 두께(269)는 수 밀리미터일 수 있다. 예를 들어, 기판(261)의 두께(269)는 1-10 밀리미터 사이일 수 있다.

    대안적으로는 광전음극(243)은 레이저 빔(241)에 의하여 조명되는 전자를 방출하도록 구성되는 재료를 포함하는 기판(261)으로부터 형성될 수 있다. 이러한 광전음극(243)은 기판(261)에 배치된 재료의 막(263)을 가지지 않을 수도 있다. 그 대신, 전자 방출면(264)이 기판(261)의 표면일 수 있다. 예를 들어, 광전음극(243)은 전자 방출면을 포함하는 구리 기판(261)을 포함할 수 있다. 그러나, 구리는, 예를 들어 하나 이상의 알칼리 금속을 포함하는 재료의 막과 비교할 때 상대적으로 낮은 양자 효율을 가질 수 있다. 그러므로, 높은 양자 효율을 가지는 재료를 포함하는 광전음극이 자유 전자 레이저 내에서 사용되는 것이 바람직하기 때문에, 이러한 광전음극은, 자유 전자 레이저에서 사용되기에 적합하지 않을 수도 있다.

    광전음극(243)과의 이온 충돌의 효과를 감소시키기 위하여, 공동(265)이 기판(261)에 형성된다. 공동(265)은 충돌 영역(249)과 실질적으로 정렬될 수 있다. 예를 들어 공동(265)은 도 14 에 도시된 바와 같이 충돌 영역(249) 바로 아래에 위치될 수 있다. 공동(265)은 도 14 에 도시되는 바와 같이 충돌 영역(249)의 정도를 넘어 방사상으로 연장할 수 있다. 그러나, 충돌 영역(249)은 잘-정의된 영역이 아니고 단지 이온이 충돌할 수 있는 광전음극(243)의 영역을 가리킬 뿐이다. 일반적으로 공동(265)은 이온이 충돌하는 광전음극(243)의 영역과 실질적으로 정렬되어, 이온들이 공동(265) 내로 통과하게 할 수 있다. 공동은 주입기(230)의 축(245)(도 12 를 참조한다)과 실질적으로 정렬될 수 있다. 주입기의 축은 주입기(230)를 벗어날 때의 전자빔(E)의 원하는 경로에 대응할 수 있다.

    공동(265)은 두께(266)를 가지는 기판(261)의 얇은 층에 의하여 재료의 막(263)으로부터 분리될 수 있다. 그러면 재료의 막(263)이 침착될 수 있는 부드러운 표면을 가지는 기판(261)의 층을 벗어날 때에 공동(265)이 재료의 막(263)에 근접하게 위치될 수 있다. 재료의 막(263)과 공동(265)을 분리시키는 기판(261)의 얇은 층은, 예를 들어 약 0.1 마이크론과 약 10 마이크론 사이인 두께(266)를 가질 수 있다.

    광전음극과 충돌하는 이온들은 광전음극 내의 특정 깊이에서 정지되기 이전에 광전음극의 상부층을 통과한다. 이온들은 그들이 광전음극에 의하여 정지되기 이전에 그들이 통과한 광전음극의 부분과는 크게 상호작용하지 않는다. 그러므로 이온을 충돌시켜서 얻어지는 손상 대부분은 이온들이 광전음극에 의하여 정지되는 깊이에서 또는 이에 가까운 광전음극의 깊이에서 발생한다.

    그러므로 광전음극(243)과 충돌하는 이온들은 정지되지 않고 재료의 막(263)을 통과하고, 기판(261)의 얇은 층을 통과하며 공동(265) 내로 이동할 수 있다. 이온이 통과하는 재료의 막(263) 및 기판(261)의 부분은 이온을 부분적으로 감속시키는 역할을 할 수 있지만, 이러한 감속은 이온을 정지시키기에는 충분하지 않을 수 있다. 이온들이 공동(265) 내에 있으면, 이들을 감속시킬 기판 재료가 없으며, 이온은 더 많이 감속되지 않으면서 공동(265)을 통과할 수 있다. 그러므로 이온은 공동(265)의 반대면(즉 그들이 진입한 반대면)으로 통과하여 나와서 공동(265) 아래의 기판 재료로 들어갈 수 있다. 기판 재료는 이온을 더 감속시키고 이온을 정지시키는 역할을 할 수 있다. 그러므로 이온이 정지되는 포인트는 공동(265) 아래가 될 것이며, 이는 이온이 공동(265) 아래의 재료에 의하여 감속되고 정지되기 이전에 공동(265)을 통과하기 때문이다. 그러므로 공동(265)은 이온이 광전음극(261) 내에서 정지되는 위치를 광전음극(243) 속의 더 깊은 위치로 그리고 광전음극(243)의 전자 방출면(264)으로부터 멀어지게 천이하는 효과를 가진다.

    다른 실시예에서, 공동(265)은 기판(261)의 후면으로부터 연장되어 공동(265)이 주위부 또는 다른 재료로 개방되게 할 수 있다. 이러한 실시예에서, 이온은 공동(265)을 통과하여 광전음극(243) 밖으로 나와서, 이온에 의하여 야기되는 임의의 손상이 광전음극(243) 외부에서 발생하게 할 수 있다.

    이온이 광전음극(243) 내에서 정지되는 깊이가 증가되면, 광전음극(243)의 전자 방출면(264)에서 재료의 스퍼터링이 더 적게 될 수 있다. 이온이 광전음극(243) 내에서 정지되는 깊이가 증가되면, 에너지가 열 에너지의 형태로 이온으로부터 광전음극(243)으로 전달되는 깊이가 증가될 수 있다. 이것은 광전음극(243)의 전자 방출면(264)에 가까운 광전음극(243)이 가열되는 것을 감소시키고, 따라서 광전음극(243)의 전자 방출면(264)으로부터의 전자들의 열이온 방출을 감소시키며, 이를 통하여 자유 전자 레이저(FEL) 내의 암전류를 감소시킨다. 공동(265)은 표면(264)에 가까이 기판(261) 내에 보유될 수 있는 이온의 양을 더 감소시킬 수 있고, 따라서 그렇지 않으면 발생했을 수 있는 표면(264)의 임의의 기포발생을 감소시킬 수 있다.

    본 발명의 원리는 도 15 를 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 도 15 는 실리콘 기판과 충돌하며 500 keV의 에너지를 가지는 양의 수소 이온의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 500 keV의 에너지는 자유 전자 레이저의 에너지 내의 이온의 에너지와 거의 대응할 수 있다. 도트는 수소 이온이 실리콘 기판에 의하여 정지된 기판 내의 위치를 나타낸다. 도 15 에서 알 수 있는 바와 같이 다수의 이온이 약 4 마이크론보다 더 큰 실리콘 타겟 내의 깊이에서 정지된다. 위에서 언급된 바와 같이 재료의 막(263)은 1 마이크론보다 훨씬 더 적은 두께(267)를 가질 수 있다. 그러므로 다수의 이온은 정지되지 않고 재료의 막(263)을 통과할 것이다.

    도 15 에 표시된 결과는, 기판(261)이 실리콘 및 공동(265)을 재료의 막(263)으로부터 분리하는 기판(261) 얇은 층을 가지는 실시예에서 이것은 약 4 마이크론보다 적은 두께(266)를 가지며, 그리고 다수의 이온은 기판의 얇은 층을 통과해서 공동(265) 내로 지나갈 것이라는 것을 표시한다. 공동(265) 내로 들어가는 이온은 실질적으로 감속되지 않은 채 공동(265)의 반대 면 밖으로 통과할 것이다. 그러므로 이온은 공동을 넘어 기판 재료로 통과할 때까지 정지되지 않을 것이다.

    기판(261)의 재료가 다르거나 이온들이 다른 에너지를 가지면, 도 15 에 도시되는 것과 다른 기판의 위치에서 정지될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 그러므로 광전음극(243)의 치수와 공동(265)의 치구는 광전음극(243)의 재료와 광전음극(243)이 어떻게 사용되려고 의도되느냐에 따라 선택될 수 있다.

    일반적으로, 기판(261) 내의 공동(265)은, 표면(264)과 공동(265) 사이에 배치된 광전음극(243)의 부분의 두께가 충분히 얇아서, 광전음극(243)의 해당 부분에 입사하는 대부분의 이온이 광전음극(243)의 해당 부분을 지나 공동(265) 내로 통과하도록 위치될 수 있다. 표면(264)과 공동(265) 사이에 배치된 광전음극의 부분의 두께는 예를 들어 약 10 마이크론보다 적을 수 있고, 약 5 마이크론보다 적을 수 있다.

    동작 도중에, 광전음극(243)은 광전음극(243)의 전압과 관련된 전기장에 의하여 발생하는 정전기 압력에 노출될 수 있다. 광전음극(243)의 전압과 연관된 전기장은, 예를 들어 약 10 MV m -1 의 필드 세기를 가질 수 있다. 이것은 광전음극(243)이 약 1000 파스칼의 정전기 압력에 노출되게 할 수 있다.

    도 16 은 정전기 압력이 광전음극에 인가될 경우의 도 14 에 도시된 바와 같은 광전음극(243)의 동일한 단면을 개략적으로 보여준다. 광전음극(243)에 가해지는 정전기 압력의 방향은 화살표(272)로 표시된다. 공동(265)은 공동(265)의 영역 내에 있는 광전음극(243)을 구조적으로 약하게 만든다. 예를 들어, 공동(265) 바로 위에 있는 광전음극(243)의 얇은 층은 노출되는 정전기 압력을 견딜만큼 충분한 강성을 가지지 않을 수 있다. 이것은 광전음극(243)의 영역(273)이 정전기 압력을 받아 변형되게 할 수 있다.

    광전음극(243)의 변형은 변형된 영역(273) 내의 전기장이 변경되게 할 수 있다. 광전음극(243) 주위의 전기장의 방향은 도 16 에서 화살표(271)에 의하여 표 표시된다. 변형된 영역(273) 내의 전기장의 방향은 광전음극(243)이 변형되는 것에 의하여 변경된다. 특히 전기장(271)은 변형된 영역(273)에 집중될 수 있다. 그러면 이미턴스 및 광전음극(243)으로부터 방출되는 전자 다발의 궤적을 변경할 수 있기 때문에 불리할 수 있다. 그러므로 정전기 압력에 의하여 초래되는 광전음극(243)의 임의의 변형을 감소시키고 및/또는 광전음극(243) 주위의 전기장에 대한 광전음극(243)의 임의의 변형의 효과를 감소시키거나 완화하는 것이 유익할 수도 있다.

    도 17a 는 전압이 광전음극(243)에 인가되기 이전의 광전음극(243)의 개략적인 도면이다. 전압이 광전음극(243)에 인가되지 않기 때문에, 광전음극은 임의의 정전기 압력에 노출되지 않는다. 도 17a 에 도시되는 광전음극(243)은 전압이 광전음극(243)에 인가되면 정전기 압력에 의하여 변형될 것이 예견되도록 성형된다. 즉, 광전음극(243)은 정전기 압력에 의해 변형된 이후에 원하는 형상을 가지도록 구성된다. 특히, 기판(261)은 공동(265) 위의 영역에서 함몰부(275)를 포함하도록 성형된다.

    선택적으로, 공동(265)은 정전기 압력을 겪는 것을 예견하면서 성형될 수 있다. 예를 들어, 공동(265)은 도 17a 에서 도시되는 바와 같이 챔퍼(276)를 포함하도록 성형될 수 있다. 챔퍼(276)는 공동(265)의 코너를 둘러싸는 기판(261)의 영역 내에 응력을 감소시키는 역할을 수행한다. 그러면, 광전음극(243)에 정전기 압력이 인가된 결과로서 이러한 영역 내의 기판에 크랙이 발생될 위험성을 감소시킬 수 있다.

    도 17b 는 전압이 광전음극(243)에 인가될 때에 도 17a 에 도시된 바와 같은 광전음극(243)의 개략적인 도면이다. 광전음극(243)이 노출되는 정전기 압력(272)은 기판(261)의 이전에 눌렸던 변형 영역(275)이 변형되게 한다. 변형 이후에 이전에 눌렸던 영역(275)이 더 이상 눌리지 않고 있으며, 기판(261)의 상부면은 실질적으로 평평하다. 이전에 눌렸던 영역(275)의 변형 이후에, 전기장 방향(271)은 실질적으로 균일하고, 따라서 광전음극(243)으로부터 방출되는 전자 다발은 공동(265)의 존재에 의하여 실질적으로 영향받지 않을 수 있다.

    도 17a 및 도 17b 에 도시되는 광전음극(243)은 광전음극(243)의 일 실시예의 하나의 예에 지나지 않는다. 광전음극(243)에 작용될 수 있는 정전기 압력을 예견하여 다른 광전음극(243)이 다르게 성형되고 구성될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 광전음극(243)의 특정한 성형과 구성은 무엇보다도 광전음극(243)이 제조되는 재료와 광전음극(243)의 의도된 동작 조건에 의존할 수 있다.

    대안적으로는 광전음극(243)은 정전기 압력이 광전음극(243)을 실질적으로 변형시키지 않도록 정전기 압력에 대항하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 공동(265)의 영역에 있는 기판(261) 및 재료의 막(263)은 동작 도중에 광전음극(243)에 인가될 것으로 기대되는 정전기 압력을 견딜만큼 충분히 단단할 수 있다.

    광전음극(243)을 강화하기 위하여, 강화 립(reinforcing ribs)이 기판(261)에 추가될 수 있다. 강화 립은 정전기 압력이 있을 때 변형에 저항하도록 도울 수 있다. 도 18 은 강화 립(277)을 포함하는 기판(261)의 부분의 평면도이다. 강화 립(277)은 벌집 구조로 배치되고 기판(261)을 강화하는 역할을 할 수 있다. 강화 립(277)은 또한 기판(261)을 냉각시키도록 도울 수 있다. 예를 들어 립(277)은 기판(261)으로부터 주위로 열을 방사시켜서 기판(261)을 냉각시킬 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 강화 립(277)은 벌집 구조가 아닌 구조를 형성하도록 배치될 수 있다.

    강화 립(277)이 이온이 기판(261)을 통과하는 것을 실질적으로 방해하지 않는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 강화 립이 이온이 공동(265) 안으로 통과하는 것을 실질적으로 방해하지 않는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 강화 립들(277) 사이에 큰 분리(립의 두께에 대하여)를 제공함으로써 달성될 수 있다. 그러면 강화 립(277)에 의하여 점유되는 기판(261)의 작은 부분은 상대적으로 작게 보장된다(예를 들어 10% 미만). 그러므로 립(277)과 충돌하는, 기판(261)에 입사한 이온의 일부는 상대적으로 작은 수가 되고, 따라서 이온의 적은 부분(insubstantial proportion)만이 강화 립(277)에 의하여 기판(261)을 통과하지 못하게 된다.

    추가적으로 또는 대안적으로, 립(277)의 두께는 충분히 얇아서, 이온들이 립(277)을 통과할 수 있고 이온이 기판(261)을 통과하는 것을 립(277)이 실질적으로 방해하지 않게 할 수 있다. 강화 립(277)의 두께는, 예를 들어 약 1 마이크론 미만일 수 있다.

    강화 립(277)은 기판(261) 전체에 위치되지 않을 수 있고, 특히 전압이 광전음극(243)에 인가될 경우 많은 양의 스트레스에 노출되는 기판(261)의 부분에 위치될 수 있다. 예를 들어, 강화 립(277)은, 재료의 막(263)과 공동(265)을 분리하는 기판(261)의 층을 강화시키도록 위치될 수 있는데, 그 이유는 기판(261)의 이러한 층이 사용 중에 많은 양의 스트레스에 노출될 수 있기 때문이다.

    광전음극(243)의 실시예는 위에서 기판(261)의 재료로 둘러싸이며 기판(261) 내에 형성된 공동(265)을 포함하는 것으로 설명된 바 있다. 그러나 몇 가지 실시예들에서, 공동(265)은 주위부 또는 다른 재료로 개방될 수 있다. 도 19 는 기판(261)의 베이스까지 연장되는 공동(265)을 포함하는 광전음극(243)의 개략도이다. 그러므로 공동(265) 안으로 들어가는 이온은 공동을 통과해서 공동(265)에 의해 형성된 개구(278) 밖으로 나온다. 개구를 통과하는 이온은 흡수하거나 정지시키기 위하여 개구(278) 너머에 재료가 선택적으로 위치될 수 있다. 그러면 이온에 의해 야기되는 임의의 손상이 광전음극(243) 외부에 형성되도록 보장할 수 있다.

    비록 전자 소스의 실시예가 광전음극(243)에 입사하는 레이저 빔(241)을 방출하는 레이저(235)에 대하여 설명되었지만, 다른 실시예들에서 방사원 레이저가 아닌 다른 방사원이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 방사원은 레이저 빔이 아닌 방사선 빔을 방출할 수 있다. 일부 실시예에서, 위에서 레이저 및/또는 레이저 빔이라고 지칭한 임의의 것은 각각 방사원 및/또는 방사선 빔으로 대체될 수 있다.

    비록 자유 전자 레이저의 실시예가 선형 가속기(22, 150, 122)를 포함하고 있는 것으로 설명되었지만, 선형 가속기는 자유 전자 레이저 내의 전자를 가속하기 위하여 사용될 수도 있는 입자 가속기의 일 타입의 일 예일 뿐이라는 것이 이해되어야 한다. 선형 가속기는 이것이 다른 에너지를 가지는 전자가 동일한 궤적을 따라 가속되게 하기 때문에 특히 유익할 수도 있다. 그러나, 자유 전자 레이저의 대안적인 실시예들에서, 다른 타입의 입자 가속기가 전자를 상대론적 속도까지 가속하기 위하여 사용될 수도 있다.

    "상대론적 전자"라는 용어는 상대론적 속도에서 이동하는 전자를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 특히 상대론적 전자는 입자 가속기에 의하여 상대론적 속도에 가깝게 가속된 전자를 지칭하기 위하여 사용될 수 있다.

    도면에 도시된 주입기 및 주입기 장치는 단순히 실시예들일 뿐이고, 본 발명에 따르는 다른 주입기 장치들도 가능하다는 것이 이해될 것이다.

    8 개의 리소그래피 장치(LA1-LA8)를 포함하는 리소그래피 시스템이 위에서 참조되었지만, 더 많거나 적은 리소그래피 장치가 리소그래피 시스템에 제공될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 더 나아가, 리소그래피 장치(LA1-LA8) 중 하나 이상은 마스크 검사 장치(MIA)를 포함할 수 있다. 몇 몇 실시예들에서, 리소그래피 시스템은 어느 정도의 리던던시를 허용하기 위한 두 개의 마스크 검사 장치를 포함할 수도 있다. 이것은 하나의 마스크 검사 장치가, 다른 마스크 검사 장치가 보수되는 중이거나 유지보수되는 경우에 사용되게 할 수도 있다. 따라서, 하나의 마스크 검사 장치는 언제나 이용가능하다. 마스크 검사 장치는 리소그래피 장치보다 더 낮은 파워의 방사선 빔을 사용할 수도 있다.

    비록 본 명세서에서 리소그래피 장치의 맥락에서 본 발명의 실시예가 특정하게 참조되었지만, 본 발명의 실시예는 다른 장치에서도 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예는 마스크 검사 장치, 계측 장치, 또는 웨이퍼(또는 다른 기판) 또는 마스크(또는 다른 패터닝 디바이스)와 같은 대상물을 측정하거나 처리하는 임의의 장치의 일부가 될 수 있다. 이러한 장치는 일반적으로 리소그래피 툴이라고 지칭될 수 있다. 이러한 리소그래피 툴은 진공 조건 또는 주변(비-진공) 조건을 사용할 수 있다.

    본 발명의 실시예는 기판을 패터닝하기 위하여 전자빔 또는 다수의 전자빔을 사용하는 리소그래피 장치의 일부를 형성할 수 있다.

    "EUV 방사선"이라는 용어는 5-20 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 5-10 nm의 범위 내의, 예컨대6.7 nm 또는 6.8 nm의 파장을 가질 수도 있다.

    리소그래피 장치(LAa-LAn)는 IC의 제조에 사용될 수도 있다. 대안적으로는, 본 명세서에서 설명되는 리소그래피 장치(LAa-LAn)는 다른 적용예를 가질 수도 있다. 가능한 다른 적용예는 집적 광학 시스템, 자기 도메인 메모리(magnetic domain memory)용 가이드 및 검출 패턴(guidance and detection pattern), 평판 디스플레이, LCD(Liquid Crystal Display), 박막 자기 헤드 등의 제조를 포함한다.

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

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