(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子入射器であって、
フォトカソードを支持するよう配設された支持構造と、
前記フォトカソードから電子ビームを放出させるよう前記フォトカソードのある領域に放射源からの放射ビームを向けるよう配設されたビーム搬送系と、
前記放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域を変更するよう動作可能な調整機構と、
電子入射器の軸線に電子が実質的に一致するように電子ビームの軌道を変化させる力を電子ビームに与えるよう動作可能なステアリングユニットと、を備える電子入射器。
【請求項２】
前記ステアリングユニットは、１つ又は複数の電磁石を備える、請求項１に記載の電子入射器。
【請求項３】
前記ステアリングユニットは、前記電子入射器の電子ブースタの下流にある、請求項１または２に記載の電子入射器。
【請求項４】
前記放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域は、前記電子入射器の軸線から離れている、請求項１から３のいずれかに記載の電子入射器。
【請求項５】
前記ビーム搬送系は、前記放射ビームが前記フォトカソードに入射するとき前記フォトカソードと垂直でないよう構成されている、請求項１から４のいずれかに記載の電子入射器。
【請求項６】
前記調整機構は、前記ビーム搬送系における放射ビーム調整ユニットを備え、前記放射ビーム調整ユニットは、前記放射ビームの１つ又は複数の特性を変更するよう動作可能である、請求項１から５のいずれかに記載の電子入射器。
【請求項７】
前記放射ビーム調整ユニットは、前記放射ビームの伝搬方向を変更するよう動作可能である、請求項６に記載の電子入射器。
【請求項８】
前記ビーム搬送系は、前記放射ビームを前記フォトカソードのある領域へと反射するよう配設されたミラーを備え、前記調整機構は、前記ミラーの位置及び／または向きを変更するよう動作可能なアクチュエータを備える、請求項１から７のいずれかに記載の電子入射器。
【請求項９】
前記調整機構は、前記放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域の形状を制御するよう動作可能である、請求項６から８のいずれかに記載の電子入射器。
【請求項１０】
前記調整機構は、前記放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域の形状を、照明される領域から放出される電子ビームが前記ステアリングユニットによる前記電子ビームへの力の適用後に１つ又は複数の所望の特性を得るように、制御するよう動作可能である、請求項９に記載の電子入射器。
【請求項１１】
前記調整機構は、前記フォトカソードの位置及び／または向きを変更するよう動作可能なアクチュエータを備える、請求項１から１０のいずれかに記載の電子入射器。
【請求項１２】
前記アクチュエータは、前記フォトカソードを回転させるよう動作可能である、請求項１１に記載の電子入射器。
【請求項１３】
コントローラをさらに備え、前記コントローラは、前記放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域の変更を制御するために前記調整機構を制御するよう動作可能である、請求項１から１２のいずれかに記載の電子入射器。
【請求項１４】
前記ステアリングユニットは、前記電子ビームに与える力を、前記放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域に応じて調整するよう動作可能である、請求項１から１３のいずれかに記載の電子入射器。
【請求項１５】
前記コントローラは、前記電子ビームに与える力の調整を、前記放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域の変更に応じて制御する、請求項１３を引用する請求項１４に記載の電子入射器。
【請求項１６】
前記電子ビームの１つ又は複数の特性を測定するよう動作可能な電子ビーム測定装置をさらに備える、請求項１から１５のいずれかに記載の電子入射器。
【請求項１７】
前記ステアリングユニットは、前記電子ビームに与える力を、前記電子ビームの１つ又は複数の特性の測定結果に応じて調整するよう動作可能である、請求項１６に記載の電子入射器。
【請求項１８】
前記放射源は、レーザであり、前記放射ビームは、レーザビームである、請求項１から１７のいずれかに記載の電子入射器。
【請求項１９】
前記レーザは、ピコ秒レーザである、請求項１８に記載の電子入射器。
【請求項２０】
前記電子ビームは、複数の電子バンチを備える、請求項１から１９のいずれかに記載の電子入射器。
【請求項２１】
前記電子入射器は、前記電子ビームを加速するよう動作可能な電子ブースタをさらに備える、請求項１から２０のいずれかに記載の電子入射器。
【請求項２２】
前記軸線は、前記電子入射器から出力される電子ビームの所望の軌道を代表する、請求項１から２１のいずれかに記載の電子入射器。
【請求項２３】
前記支持構造は、電子銃に収納され、前記電子入射器は、前記電子銃の位置及び／または向きを調整するよう動作可能なアクチュエータをさらに備える、請求項１から２２のいずれかに記載の電子入射器。
【請求項２４】
前記アクチュエータは、前記放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域の変更に応じて前記電子銃の位置及び／または向きを調整するよう動作可能である、請求項２３に記載の電子入射器。
【請求項２５】
請求項１から２４のいずれかに記載の電子入射器と、
前記電子ビームを相対論的速度に加速するよう動作可能な粒子加速器と、
相対論的電子を振動的経路に追従させてコヒーレント放射の放出を誘発するよう動作可能なアンジュレータと、を備える自由電子レーザ。
【請求項２６】
前記アンジュレータは、相対論的電子にＥＵＶ放射を放出させるよう構成されている、請求項２５に記載の自由電子レーザ。
【請求項２７】
前記粒子加速器は、線形加速器である、請求項２５または２６に記載の自由電子レーザ。
【請求項２８】
前記線形加速器は、エネルギー回収型線形加速器であり、前記自由電子レーザは、前記電子入射器から出力される電子ビームを再循環電子ビームと合成するよう構成された合流ユニットをさらに備える、請求項２７に記載の自由電子レーザ。
【請求項２９】
請求項２５から２８のいずれかに記載の自由電子レーザと、
１つ又は複数のリソグラフィ装置と、を備えるリソグラフィシステム。
【請求項３０】
電子入射器を使用して電子ビームを生成する方法であって、
フォトカソードに電子ビームを放出させるようフォトカソードのある領域に放射ビームを向けることと、
放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域を変更することと、
電子入射器の軸線に電子が実質的に一致するように電子ビームの軌道を変化させる力を電子ビームに与えることと、を備える方法。
【請求項３１】
力を電子ビームに与えることは、電子ビームの軌道を変化させるよう磁場を発生させる１つ又は複数の電磁石を使用することを備える、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域は、前記電子入射器の軸線から離れている、請求項３０または３１に記載の方法。
【請求項３３】
放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域を変更することは、放射ビームの１つ又は複数の特性を変更することを備える、請求項３０から３２のいずれかに記載の方法。
【請求項３４】
放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域を変更することは、前記フォトカソードの位置及び／または向きを変更することを備える、請求項３０から３３のいずれかに記載の方法。
【請求項３５】
前記フォトカソードの位置及び／または向きを変更することは、前記フォトカソードを回転させることを備える、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
電子ビームに与えられる力を、放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域の変更に応じて調整することをさらに備える、請求項３０から３５のいずれかに記載の方法。
【請求項３７】
電子ビームの１つ又は複数の特性を測定することをさらに備える、請求項３０から３６のいずれかに記載の方法。
【請求項３８】
電子ビームに与えられる力を、電子ビームの１つ又は複数の特性の測定結果に応じて調整することをさらに備える、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域の形状を制御することをさらに備える、請求項３０から３８のいずれかに記載の方法。
【請求項４０】
放射ビームによって照明される前記フォトカソードの領域の形状は、照明される領域から放出される電子ビームが前記力を電子ビームに与えることの後に１つ又は複数の所望の特性を得るように、制御される、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記電子ビームは、複数の電子バンチを備える、請求項３０から４０のいずれかに記載の方法。
【請求項４２】
前記軸線は、前記電子入射器から出力される電子ビームの所望の軌道を代表する、請求項３０から４１のいずれかに記載の方法。
【請求項４３】
放射を生成する方法であって、
請求項３０から４２のいずれかに記載の方法により電子ビームを生成することと、
前記電子ビームを相対論的速度に加速することと、
コヒーレント放射の放出を誘発するよう相対論的電子を振動的経路に追従させることと、を備える方法。
【請求項４４】
ＥＵＶ放射の放出を相対論的電子に誘発する、請求項４３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年１２月５日に出願された欧州特許出願第１３１９５８０６．８号、２０１４年２月２１日に出願された欧州特許出願第１４１５６２５８．７号、及び２０１３年１２月１２日に出願された欧州特許出願第１３１９６８５３．９号に関連し、それらの全体が本明細書に援用される。
【０００２】
本発明は、自由電子レーザに電子ビームを提供するための電子入射器に関する。電子入射器は、入射器構成の一部を形成してもよい。自由電子レーザは、リソグラフィ装置のために放射を生成するよう使用されてもよい。
【背景技術】
【０００３】
リソグラフィ装置は、所望のパターンを基板に与えるよう構成された機械である。リソグラフィ装置は例えば集積回路（ＩＣ）の製造に用いられる。リソグラフィ装置は、パターニングデバイス（例えばマスク）からのパターンを、基板に形成された放射感応性材料（レジスト）層に例えば投影してもよい。
【０００４】
リソグラフィ装置によってパターンを基板に投影するために使用される放射の波長がその基板に形成可能なフィーチャの最小サイズを決定する。５〜２０ｎｍの範囲内にある波長を有する電磁放射であるＥＵＶ放射を使用するリソグラフィ装置は、従来の（例えば１９３ｎｍの波長をもつ電磁放射を使用しうる）リソグラフィ装置よりも小さいフィーチャを基板に形成するために使用されうる。
【０００５】
１つ又は複数のリソグラフィ装置における使用のためのＥＵＶ放射は、自由電子レーザによって生成されうる。自由電子レーザは、電子ビームを提供する少なくとも１つの電子入射器構成を備えてもよく、少なくとも１つの入射器構成を備えてもよい。
【０００６】
本発明のある目的は、先行技術に関連する１つ又は複数の問題を除去し又は緩和することにある。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の第１の態様は、電子ビームを提供する入射器構成であって、第１電子ビームを提供する第１入射器と、第２電子ビームを提供する第２入射器と、を備え、入射器構成は、入射器構成からの電子ビーム出力が第１入射器のみによって提供される第１モードと、入射器構成からの電子ビーム出力が第２入射器のみによって提供される第２モードとで動作可能であり、入射器構成は、再循環電子ビームを、第１入射器によって提供される電子ビームまたは第２入射器によって提供される電子ビームと合流させるよう構成された合流ユニットをさらに備える入射器構成である。
【０００８】
このようにして入射器は、第１入射器と第２入射器のうち一方が使用不能であっても電子ビームを提供することができる。これは入射器の故障が自由電子レーザのような電子ビームを受け取る装置のダウンタイムの原因とならないことを確実にする。また、第１の態様の入射器構成は、入射器構成全体の動作を続けながら第１入射器と第２入射器のいずれかにメンテナンスを行うことを可能にする。
【０００９】
第２入射器は、第１モードにおいて電子ビームを生成するよう動作可能であってもよい。第１入射器は、第２モードにおいて電子ビームを生成するよう動作可能であってもよい。
【００１０】
第２入射器は、第１モードにおいてより低い繰り返し率で電子バンチをもつ電子ビームを生成するよう動作可能であってもよい。第１入射器は、第２モードにおいてより低い繰り返し率で電子バンチをもつ電子ビームを生成するよう動作可能であってもよい。例えば、電子ビームを自由電子レーザに提供しない入射器は、電子ビームを供給している入射器と同じ電荷をもつが非常に低い繰り返し率（またはデューティサイクル）で電子バンチを生成してもよい。
【００１１】
入射器構成は、少なくとも１つのステアリングユニットを備えてもよい。少なくとも１つのステアリングユニットは、第１入射器からの電子ビームが第１経路に沿って伝搬する第１ステアリングモードと第１入射器からの電子ビームが第２経路に沿って伝搬する第２ステアリングモードを有してもよい。
【００１２】
少なくとも１つのステアリングユニットは、第２入射器からの電子ビームが第３経路に沿って伝搬する第３ステアリングモードと第２入射器からの電子ビームが第４経路に沿って伝搬する第４ステアリングモードを備えてもよい。
【００１３】
第２経路及び第４経路は、例えば、電子ビームがたどる経路につながってもよい一方で、第１経路及び第３経路は、電子ビームがたどる経路につながっていなくてもよい。こうして、少なくとも１つのステアリングユニットが第２ステアリングモード及び第３ステアリングモードで動作するとき入射器構成は第１モードで動作する。逆に、少なくとも１つのステアリングユニットが第１モード及び第４モードで動作するとき入射器構成は第２モードで動作する。
【００１４】
第１入射器は、第１経路に沿って電子ビームを放出するよう配設されてもよく、少なくとも１つのステアリングユニットは、第２ステアリングモードで動作するとき第２経路に沿って伝搬するよう第１入射器によって出力される電子ビームを方向転換するよう配設されていてもよい。こうして、第１入射器によって放出される電子ビームの能動的なステアリングは、第１モードで動作するとき必要とされなくてもよい。
【００１５】
第２入射器は、第３経路に沿って電子ビームを放出するよう配設されてもよく、少なくとも１つのステアリングユニットは、第４ステアリングモードで動作するとき第４経路に沿って伝搬するよう第２入射器によって出力される電子ビームを方向転換するよう配設されていてもよい。こうして、第２入射器によって放出される電子ビームの能動的なステアリングは、第３モードで動作するとき必要とされなくてもよい。
【００１６】
少なくとも１つのステアリングユニットは、第１入射器からの電子ビームをステアリングするよう配設された第１ステアリングユニットと、第２入射器からの電子ビームをステアリングするよう配設された第２ステアリングユニットと、を備えてもよい。第１ステアリングユニットは、第１ステアリングモードと第２ステアリングモードとを独立に切替可能であってもよく、第２ステアリングユニットは、第３ステアリングモードと第４ステアリングモードとを独立に切替可能であってもよい。
【００１７】
入射器構成は、少なくとも１つのビームダンプをさらに備え、第１経路は、少なくとも１つのビームダンプへと通じてもよい。第３経路もまた、少なくとも１つのビームダンプへと通じてもよい。こうして、第１入射器の一方または両方は、各入射器によって放出される電子ビームがビームダンプへと能動的にステアリングされることを要せずにビームダンプの方向に電子ビームを放出するよう配設されてもよい。この構成がとくに効果的であるのは、あるビームダンプが複数の方向から（例えば第１経路と第３経路の両方から）電子を受けることが可能でありうるからである。逆に、電子ビームの目標物は、単一の方向から電子ビームを受けることが可能であってもよい。
【００１８】
入射器構成は、電子ビームを自由電子レーザの線形加速器へと向けるよう配設されていてもよい。第３ステアリングユニットが入射器構成と線形加速器との間に配置され、第３ステアリングユニットは電子ビームを線形加速器へとステアリングするよう配設されていてもよい。
【００１９】
第３ステアリングユニットは、入射器構成によって提供される電子ビームを自由電子レーザにおいて伝搬している電子ビームと合流させるよう配設された合流ユニットであってもよい。例えば、入射器構成がＥＲＬ・ＦＥＬとともに使用される場合には、合流ユニットは、入射器構成によって提供される電子ビームを既に線形加速器を通過した電子ビームと合流させてもよい。
【００２０】
入射器構成は、第１入射器によって出力される電子ビームが進む経路及び／または第２入射器によって出力される電子ビームが進む経路に沿って配置された少なくとも１つの集束ユニットを備えてもよい。こうして、第１入射器及び第２入射器によって提供される電子ビームの電子バンチ内での電荷分布の変動が緩和されてもよい。
【００２１】
第１入射器は、第１入射器と電子ビームの目標物との間の電子ビーム経路長が第２入射器と前記目標物との間の電子ビーム経路長より大きくなるように位置決めされ、少なくとも１つの集束ユニットは、第１入射器によって出力される電子ビームの電子バンチのサイズを小さくするよう配設されていてもよい。
【００２２】
第１入射器は、第２ステアリングモードで動作するとき少なくとも１つのステアリングユニットが第１入射器によって出力される電子ビームを９０度未満の角度曲げるよう配設されていてもよい。
【００２３】
第２入射器は、第４ステアリングモードで動作するとき少なくとも１つのステアリングユニットが第２入射器によって出力される電子ビームを９０度未満の角度曲げるよう配設されていてもよい。
【００２４】
入射器構成は、さらに、第２入射器からの電子ビームの電子バンチと交互配置された第１入射器からの電子ビームの電子バンチを備える電子ビームを入射器構成が出力する第３モードで動作可能であってもよい。こうして、各入射器は、ある繰り返し率で、例えば、１つの入射器が単独で電子ビームを提供するのに必要とされる場合の半分の繰り返し率で、動作してもよい。こうして、各入射器の消耗が少なくなる。
【００２５】
第１入射器は、第１室に設けられてもよく、第２入射器は、第１室から遮蔽された第２室に設けられていてもよい。
【００２６】
入射器構成は、第１入射器と第２入射器との間に放射遮蔽を備えてもよい。こうして、一方の入射器が電子ビームを提供しているとき他方の（非稼動の）入射器にメンテナンスまたはその他の作業が安全に実行される。
【００２７】
第１入射器は、第１フォトカソードを備えてもよく、第２入射器は、第２フォトカソードを備えてもよい。入射器構成は、第１フォトカソードと第２フォトカソードの両方にレーザ放射を提供するよう配設された単一のフォトカソード駆動レーザを備えてもよい。
【００２８】
第２の態様によると、第１の態様の入射器構成を備え少なくとも１つの放射ビームを生成するよう配設された自由電子レーザが提供される。
【００２９】
自由電子レーザは、合流ユニットを備え、入射器構成は、電子ビームを合流ユニットに提供するよう配設されていてもよい。
【００３０】
第３の態様によると、少なくとも１つの放射ビームを生成するよう配設された第２の態様の自由電子レーザと、各々が少なくとも１つの放射ビームのうち少なくとも１つを受け取るよう配設された少なくとも１つのリソグラフィ装置と、を備えるリソグラフィシステムが提供される。少なくとも１つの放射ビームは、ＥＵＶ放射を備えてもよい。
【００３１】
少なくとも１つのリソグラフィ装置は、１つ又は複数のマスク検査装置を備えてもよい。
【００３２】
本発明の第４の態様によると、自由電子レーザであって、各々が入射電子ビームを発生させるよう構成された第１電子ビーム入射器及び第２電子ビーム入射器と、前記入射電子ビームを加速するよう構成された入射器線形加速器であって、エネルギー回収型線形加速器である入射器線形加速器と、を備える入射器構成を備え、第２線形加速器及びアンジュレータをさらに備える自由電子レーザが提供される。
【００３３】
入射器線形加速器をエネルギー回収型線形加速器とすることは、電子を加速し空間電荷効果の影響を小さくするエネルギーを入射電子ビームに与えることを、（エネルギー回収を用いない線形加速器を使用する場合と比べて）限られた量のエネルギーの使用を要するのみで可能にするので、有利である。空間電荷効果を低減することは、第２線形加速器に搬送される電子バンチの品質向上を可能にする。
【００３４】
入射器構成は、合流ユニットをさらに備えてもよい。合流ユニットは、入射器線形加速器の上流にあってもよく、第１入射器からの入射電子ビームを再循環電子ビームと合流させる第１モードでの動作と、第２入射器からの入射電子ビームを再循環電子ビームと合流させる第２モードでの動作とを切り替えるよう構成されていてもよい。
【００３５】
合流ユニットは、再循環電子ビームを第１角度曲げるよう構成されかつ入射電子ビームをより大きい第２角度曲げるよう構成された合成双極磁石を備えてもよい。合流ユニットは、第１動作モードと第２動作モードとを変更するとき合成双極磁石の極性を切り替えるよう構成されていてもよい。
【００３６】
第１入射器は、入射器構成の軸線に対し第１側に設けられていてもよく、第２入射器は、入射器構成の軸線に対し反対の第２側に設けられていてもよい。
【００３７】
合流ユニットは、再循環電子ビームを曲げるシケインとして配設された複数の双極磁石を備え、複数の双極磁石は、再循環電子ビームに適用される曲げ方向を反転するよう切替可能であってもよい。
【００３８】
シケインは、合流ユニットが第１モードで動作するとき再循環ビームを入射器構成の軸線に対し第１入射器と同じ側から合成双極磁石へと向けるよう構成され、かつ合流ユニットが第２モードで動作するとき再循環ビームを入射器構成の軸線に対し第２入射器と同じ側から合成双極磁石へと向けるよう構成されていてもよい。
【００３９】
シケインは、再循環電子ビームが合成双極磁石を出るとき入射器構成の軸線に沿って伝搬するよう選択された角度及び空間位置で再循環ビームを合成双極磁石まで搬送するよう構成されていてもよい。
【００４０】
シケイン双極磁石は電磁石であってもよい。
【００４１】
第１入射器は、第１入射電子ビームが合成双極磁石を出るとき入射器構成の軸線に沿って伝搬するよう選択された角度及び空間位置で第１入射電子ビームを合成双極磁石まで合流ユニットの第１モードでの動作中に搬送するよう構成された複数の双極磁石及び複数の四重極磁石を備えてもよい。
【００４２】
第２入射器は、第２入射電子ビームが合成双極磁石を出るとき入射器構成の軸線に沿って伝搬するよう選択された角度及び空間位置で第２入射電子ビームを合成双極磁石まで合流ユニットの第２モードでの動作中に搬送するよう構成された複数の双極磁石及び複数の四重極磁石を備えてもよい。
【００４３】
双極磁石及び四重極磁石は、所望の品質をもつ電子バンチを入射器線形加速器の後方に提供するようチューニングされていてもよい。
【００４４】
第１入射器及び第２入射器はともに、電子がビームダンプに放射能を誘導するであろうエネルギー閾値を下回るエネルギーをもつ入射電子ビームを提供するよう構成されていてもよい。
【００４５】
入射器線形加速器は、入射電子ビームのエネルギーを少なくとも２０ＭｅＶ増加させるよう構成されていてもよい。
【００４６】
第１入射器は、第１室に設けられてもよく、第２入射器は、第２室に設けられ、電磁放射の遮蔽を提供する壁を各室が有してもよい。
【００４７】
第２線形加速器は、エネルギー回収型線形加速器であってもよい。
【００４８】
第２線形加速器は、入射器線形加速器による加速後に１００ＭｅＶ以上電子ビームのエネルギーを増加させるよう構成されていてもよい。
【００４９】
自由電子レーザは、第２線形加速器及び入射器線形加速器を含む第１ループと、第２線形加速器及びアンジュレータを含む第２ループと、を備えてもよい。第１ループの経路長が第２ループの経路長と等しくてもよい。
【００５０】
第１入射器及び第２入射器の各々が、電子が第１ループを周回する所要時間に相当する速度で電子ビームクリアランスギャップを提供するよう構成されていてもよい。
【００５１】
第１入射器及び第２入射器は、第２線形加速器及びアンジュレータの上方の室に設けられていてもよい。
【００５２】
本発明の第５の態様によると、自由電子レーザを使用して放射ビームを生成する方法であって、入射電子ビームを発生させるよう第１電子ビーム入射器を使用し入射電子ビームを再循環電子ビームと合成し、または、入射電子ビームを発生させるよう第２電子ビーム入射器を使用し入射電子ビームを再循環電子ビームと合成することと、再循環電子ビームから入射電子ビームにエネルギーを伝達することによって入射電子ビームのエネルギーを増加させるよう入射器線形加速器を使用することと、入射電子ビームのエネルギーをさらに増加させるよう第２線形加速器を使用することと、前記電子ビームを使用して前記放射ビームを発生させるようアンジュレータを使用することと、を備える方法が提供される。
【００５３】
本発明の第６の態様によると、電子入射器であって、フォトカソードを支持するよう配設された支持構造と、フォトカソードから電子ビームを放出させるようフォトカソードのある領域に放射源からの放射ビームを向けるよう配設されたビーム搬送系と、放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域を変更するよう動作可能な調整機構と、電子入射器の軸線に電子が実質的に一致するように電子ビームの軌道を変化させる力を電子ビームに与えるよう動作可能なステアリングユニットと、を備える電子入射器が提供される。
【００５４】
放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域は、使用中に損傷されうる。その場合時間とともに当該領域から放出される電子ビームのピーク電流が減少し及び／または電子ビームのエミッタンスが増加しうる。放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域を変更することは、電子ビームが放出されるフォトカソードの領域をフォトカソードの各所に移動することを可能にする。これにより、フォトカソードがより広範囲に利用されフォトカソード寿命にわたり電子が放出されるので、フォトカソードの有効な寿命が延長される。
【００５５】
放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域の変更は、フォトカソードから放出される電子ビームを電子入射器の軸線から変位させうる。軸線は、電子源を出る電子ビームの所望の軌道を代表しうる。ステアリングユニットは、軸線からの変位を補正し、電子入射器を出るときの電子を軸線に一致させる。これはまた、電子入射器における電子の経路を電子入射器の下流に作り出されるイオンの経路から離す効果を有しうる。イオンは、フォトカソードに衝突しフォトカソードを損傷させうる。電子入射器における電子の経路からイオンの経路を離すことによって、イオン衝突で損傷を受けるフォトカソードの領域が電子ビームが放出されるフォトカソードの領域から離れうる。これはさらに、フォトカソードの有効な寿命を延ばす。
【００５６】
ステアリングユニットは、１つ又は複数の電磁石を備えてもよい。
【００５７】
ステアリングユニットは、電子入射器の電子ブースタの下流にあってもよい。
【００５８】
放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域は、電子入射器の軸線から離れていてもよい。
【００５９】
ビーム搬送系は、放射ビームがフォトカソードに入射するときフォトカソードと垂直でないよう構成されていてもよい。
【００６０】
調整機構は、ビーム搬送系における放射ビーム調整ユニットを備え、放射ビーム調整ユニットは、放射ビームの１つ又は複数の特性を変更するよう動作可能であってもよい。
【００６１】
放射ビーム調整ユニットは、放射ビームの伝搬方向を変更するよう動作可能であってもよい。
【００６２】
ビーム搬送系は、放射ビームをフォトカソードのある領域へと反射するよう配設されたミラーを備えてもよく、調整機構は、ミラーの位置及び／または向きを変更するよう動作可能なアクチュエータを備えてもよい。
【００６３】
調整機構は、放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域の形状を制御するよう動作可能であってもよい。
【００６４】
調整機構は、放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域の形状を、当該照明される領域から放出される電子ビームがステアリングユニットによる電子ビームへの力の適用後に１つ又は複数の所望の特性を得るように、制御するよう動作可能であってもよい。
【００６５】
調整機構は、フォトカソードの位置及び／または向きを変更するよう動作可能なアクチュエータを備えてもよい。
【００６６】
アクチュエータは、フォトカソードを回転させるよう動作可能であってもよい。
【００６７】
電子入射器は、コントローラをさらに備え、コントローラは、放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域の変更を制御するために調整機構を制御するよう動作可能であってもよい。
【００６８】
ステアリングユニットは、電子ビームに与える力を、放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域に応じて調整するよう動作可能であってもよい。
【００６９】
コントローラは、電子ビームに与える力の調整を、放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域の変更に応じて制御してもよい。
【００７０】
電子入射器は、電子ビームの１つ又は複数の特性を測定するよう動作可能な電子ビーム測定装置をさらに備えてもよい。
【００７１】
ステアリングユニットは、電子ビームに与える力を、電子ビームの１つ又は複数の特性の測定結果に応じて調整するよう動作可能であってもよい。
【００７２】
放射源は、レーザであってもよく、放射ビームは、レーザビームであってもよい。
【００７３】
レーザは、ピコ秒レーザであってもよい。
【００７４】
電子ビームは、複数の電子バンチを備えてもよい。
【００７５】
電子入射器は、電子ビームを加速するよう動作可能な電子ブースタをさらに備えてもよい。
【００７６】
軸線は、電子入射器から出力される電子ビームの所望の軌道を代表してもよい。
【００７７】
支持構造は、電子銃に収納されてもよく、電子入射器は、電子銃の位置及び／または向きを調整するよう動作可能なアクチュエータをさらに備えてもよい。
【００７８】
アクチュエータは、放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域の変更に応じて電子銃の位置及び／または向きを調整するよう動作可能であってもよい。
【００７９】
本発明の第７の態様によると、第６の態様の電子入射器と、電子ビームを相対論的速度に加速するよう動作可能な粒子加速器と、相対論的電子を振動的経路に追従させてコヒーレント放射の放出を誘発するよう動作可能なアンジュレータと、を備える自由電子レーザが提供される。
【００８０】
アンジュレータは、相対論的電子にＥＵＶ放射を放出させるよう構成されていてもよい。
【００８１】
粒子加速器は、線形加速器であってもよい。
【００８２】
本発明の第８の態様によると、本発明の第６の態様の自由電子レーザと、１つ又は複数のリソグラフィ装置と、を備えるリソグラフィシステムが提供される。
【００８３】
本発明の第９の態様によると、電子入射器を使用して電子ビームを生成する方法であって、フォトカソードに電子ビームを放出させるようフォトカソードのある領域に放射ビームを向けることと、放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域を変更することと、電子入射器の軸線に電子が実質的に一致するように電子ビームの軌道を変化させる力を電子ビームに与えることと、を備える方法が提供される。
【００８４】
力を電子ビームに与えることは、電子ビームの軌道を変化させるよう磁場を発生させる１つ又は複数の電磁石を使用することを備えてもよい。
【００８５】
放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域は、電子入射器の軸線から離れていてもよい。
【００８６】
放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域を変更することは、放射ビームの１つ又は複数の特性を変更することを備えてもよい。
【００８７】
放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域を変更することは、フォトカソードの位置及び／または向きを変更することを備えてもよい。
【００８８】
フォトカソードの位置及び／または向きを変更することは、フォトカソードを回転させることを備えてもよい。
【００８９】
本方法は、電子ビームに与えられる力を、放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域の変更に応じて調整することをさらに備えてもよい。
【００９０】
本方法は、電子ビームの１つ又は複数の特性を測定することをさらに備えてもよい。
【００９１】
本方法は、電子ビームに与えられる力を、電子ビームの１つ又は複数の特性の測定結果に応じて調整することをさらに備えてもよい。
【００９２】
本方法は、放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域の形状を制御することをさらに備えてもよい。
【００９３】
放射ビームによって照明されるフォトカソードの領域の形状は、当該照明される領域から放出される電子ビームが前記力を電子ビームに与えることの後に１つ又は複数の所望の特性を得るように、制御されてもよい。
【００９４】
電子ビームは、複数の電子バンチを備えてもよい。
【００９５】
軸線は、電子入射器から出力される電子ビームの所望の軌道を代表してもよい。
【００９６】
第１０の態様によると、放射を生成する方法であって、第９の態様の方法により電子ビームを生成することと、電子ビームを相対論的速度に加速することと、コヒーレント放射の放出を誘発するよう相対論的電子を振動的経路に追従させることと、を備える方法が提供される。
【００９７】
相対論的電子は、ＥＵＶ放射の放出を誘発させられてもよい。
【００９８】
本発明の第１１の態様によると、空洞が形成された基板と、基板上に配置された材料膜であって、放射ビームによって照明されるとき電子を放出するよう構成された電子放出面を備える材料膜と、を備え、電子放出面が空洞とは材料膜の反対側にあるフォトカソードが提供される。
【００９９】
フォトカソードは、イオンとの衝突にさらされうる。基板内の空洞は、フォトカソードにおいてイオンが停止する基板内での深さを増加する役割を果たす。これは、イオン衝突によってフォトカソードからスパッタされる材料の量を低減する。スパッタされた材料はフォトカソードに堆積し、フォトカソードの量子効率を減少させうる。フォトカソードからスパッタされる材料の量を減らすことによって、量子効率の減少が低減されうる。これは、フォトカソードの有効な寿命を増加する。
【０１００】
また、フォトカソードからスパッタされる材料の量を減らすことは、量子効率の勾配のフォトカソード上での成長を防止しうる。これは、フォトカソードから放出される電子ビームに関連付けられる電流の安定性を高め、フォトカソードから放出される電子バンチの電荷分布の一様性を高める。これらの効果の両方が特に有利であるのは、自由電子レーザのための電子源においてフォトカソードを使用する場合である。
【０１０１】
また、フォトカソードにおいてイオンが停止する基板内での深さを増加することは、フォトカソードの表面近くでのフォトカソードの加熱を低減するよう作用する。これは、フォトカソードからの熱電子放出を低減する。これは、フォトカソードによって放出される暗電流を低減する。これは、自由電子レーザにおいてその構成要素を損傷させうる迷走電子を低減するから、自由電子レーザのための電子源においてフォトカソードを使用する場合に有利である。
【０１０２】
フォトカソードは、フォトカソードの動作中にイオンを受ける衝突領域を含んでもよい。
【０１０３】
基板内の空洞は、衝突領域と実質的に整列されていてもよい。
【０１０４】
電子放出面と空洞との間に配置されたフォトカソードの一部分の厚さは、フォトカソードの当該一部分に入射する正電荷イオンがフォトカソードの当該一部分を通じて空洞へと通過するよう十分に薄くてもよい。
【０１０５】
電子放出面と空洞との間に配置されたフォトカソードの一部分の厚さは、１０ミクロン未満であってもよい。
【０１０６】
フォトカソードは、フォトカソードがある電圧に保持されるときフォトカソードに与えられる静電圧力によってもたらされるフォトカソードの変形後に所望の形状をとるよう構成されていてもよい。
【０１０７】
フォトカソードは、フォトカソードに印加される電圧に付随する電気力線がフォトカソードの変形後に実質的に一様であるよう構成されていてもよい。
【０１０８】
基板は、窪みを基板に備えてもよい。
【０１０９】
基板内の空洞は、面取りを備えてもよい。
【０１１０】
基板は、１つ又は複数のリブを備えてもよい。
【０１１１】
１つ又は複数のリブは、フォトカソードがある電圧に保持されるときフォトカソードに与えられる静電圧力に抗するようフォトカソードを強化するよう配設されていてもよい。
【０１１２】
リブは、ハニカム構造に配設されていてもよい。
【０１１３】
リブは、約１ミクロン未満の厚さを有してもよい。
【０１１４】
基板は、シリコンを備えてもよい。
【０１１５】
材料膜は、１つ又は複数のアルカリ金属を備えてもよい。
【０１１６】
材料膜は、アンチモン化ナトリウムカリウムを備えてもよい。
【０１１７】
本発明の第１２の態様によると、放射源からの放射ビームを受けるよう配設された本発明の第１１の態様のフォトカソードと、フォトカソードから放出される電子ビームを加速するよう動作可能な電子ブースタと、を備える電子入射器が提供される。
【０１１８】
本発明の第１３の態様によると、本発明の第１２の態様の電子源と、電子ビームを相対論的速度に加速するよう動作可能な線形加速器と、相対論的電子を振動的経路に追従させてコヒーレント放射の放出を誘発するよう動作可能なアンジュレータと、を備える自由電子レーザが提供される。
【０１１９】
アンジュレータは、ＥＵＶ放射を電子に放出させるよう構成されていてもよい。
【０１２０】
本発明の第１４の態様によると、第１３の態様の自由電子レーザと、１つ又は複数のリソグラフィ装置と、を備えるリソグラフィシステムが提供される。
【０１２１】
本発明の第１５の態様によると、電子ビームを生成する方法であって、フォトカソードに電子ビームを放出させるようフォトカソードのある領域に入射するよう放射ビームを向けることを備え、フォトカソードは、空洞が形成された基板と、基板上に配置された材料膜と、を備え、材料膜は、放射ビームによって照明されるとき電子放出面から電子を放出するよう構成され、電子放出面が空洞とは材料膜の反対側にある方法が提供される。
【０１２２】
本発明のいずれかの態様についての特徴は、本発明の他のいずれかの態様についての特徴と組み合わされてもよい。
本発明のいくつかの実施の形態が付属の概略的な図面を参照して以下に説明されるがこれらは例示に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明のある実施の形態に係る自由電子レーザと８台のリソグラフィ装置を備えるリソグラフィシステムを概略的に示す。
【図２】図１のリソグラフィシステムの一部を形成するあるリソグラフィ装置を概略的に示す。
【図３】本発明のある実施の形態に係る自由電子レーザを概略的に示す。
【図４】本発明のある実施の形態に係る入射器構成を概略的に示す。
【図５】本発明のある代替的な実施の形態に係る入射器構成を概略的に示す。
【図６】本発明のある代替的な実施の形態に係る入射器構成を概略的に示す。
【図７】本発明のある代替的な実施の形態に係る入射器構成を概略的に示す。
【図８】本発明のある代替的な実施の形態に係る入射器構成を概略的に示す。
【図９】本発明の更なる実施の形態に係る複数の入射器のための駆動機構を概略的に示す。
【図１０】本発明のある実施の形態に係る自由電子レーザを概略的に示す。
【図１１】図１０の自由電子レーザの一部を形成しうる入射器構成を概略的に示す。
【図１２】本発明のある実施の形態に係る入射器構成を概略的に示す。
【図１３】図１２の入射器構成における使用のためのフォトカソードを概略的に示す。
【図１４】図１３の入射器構成により使用されうるフォトカソードの断面を概略的に示す。
【図１５】シリコン基板におけるイオンの停止位置を表す。
【図１６】静電圧力を課されたフォトカソードの断面を概略的に示す。
【図１７ａ】静電圧力にさらされることによって所望の形状をとるよう構成されたフォトカソードの断面を概略的に示す。
【図１７ｂ】静電圧力を課された図１７ａのフォトカソードの断面を概略的に示す。
【図１８】補強リブを備える基板の一部分の平面図を概略的に示す。
【図１９】開口部をもつ空洞を備えるフォトカソードの断面を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【０１２４】
図１は、本発明のある実施の形態に係るリソグラフィシステムＬＳの一例を示す。リソグラフィシステムＬＳは、自由電子レーザＦＥＬの形式である放射源と、ビーム分割装置１９と、８台のリソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８と、を備える。放射源は、極紫外（ＥＵＶ）放射ビームＢ（メインビームとも称されうる）を発生させるよう構成されている。メイン放射ビームＢは、複数の放射ビームＢａ〜Ｂｈ（分岐ビームとも称されうる）へと分割され、各々が異なる１台のリソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８へとビーム分割装置１９によって向けられている。分岐放射ビームＢａ〜Ｂｈは、各分岐放射ビームが先行の分岐放射ビームの下流でメイン放射ビームから分割されるようにして、直列にメイン放射ビームから分割されてもよい。この場合、分岐放射ビームは例えば、互いに実質的に平行に伝搬してもよい。
【０１２５】
リソグラフィシステムＬＳは、ビーム拡大光学系２０をさらに備える。ビーム拡大光学系２０は、放射ビームＢの断面積を広げるよう配設されている。有利には、これは、ビーム拡大光学系２０の下流のミラーへの熱負荷を減らす。これにより、ビーム拡大光学系の下流のミラーを少ない冷却で安価な低性能のものとすることが可能となりうる。それとともに又はそれに代えて、下流のミラーを垂直入射により近づけることが可能となりうる。ビーム分割装置１９は、ビームＢの経路に配設されメインビームＢから複数の分岐放射ビームＢａ〜Ｂｈに沿って放射を向ける複数の静止引き出しミラー（図示せず）を備えてもよい。メインビームＢのサイズが大きければ、ビームＢの経路におけるミラーの配置精度は緩和される。したがって、これは、ビーム分割装置１９による出力ビームＢのより正確な分割を可能にする。例えば、ビーム拡大光学系２０は、ビーム分割装置１９によるメインビームＢの分割前にメインビームＢを約１００μｍから１０ｃｍを超えるよう拡大するように動作可能であってもよい。
【０１２６】
放射源ＦＥＬ、ビーム分割装置１９、ビーム拡大光学系２０、及びリソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８はすべて、外部環境から隔離可能であるよう構築され配設されていてもよい。ＥＵＶ放射の吸収を最小化するよう放射源ＦＥＬ、ビーム拡大光学系２０、ビーム分割装置１９、及びリソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８の少なくとも一部に真空が提供されてもよい。リソグラフィシステムＬＳの異なるいくつかの部分それぞれに異なる圧力の真空が提供され（すなわち、大気圧を下回る異なる圧力に保持され）てもよい。
【０１２７】
図２を参照すると、リソグラフィ装置ＬＡ１は、照明系ＩＬと、パターニングデバイスＭＡ（例えばマスク）を支持するよう構成された支持構造ＭＴと、投影系ＰＳと、基板Ｗを支持するよう構成された基板テーブルＷＴと、を備える。照明系ＩＬは、リソグラフィ装置ＬＡ１により受け取られる分岐放射ビームＢａをパターニングデバイスＭＡに入射する前に調節するよう構成されている。投影系ＰＳは、放射ビームＢａ’（マスクＭＡによってパターンが付与されている）を基板Ｗに投影するよう構成されている。基板Ｗは、以前に形成されたパターンを含んでもよい。その場合、リソグラフィ装置は、基板Ｗに以前に形成されたパターンにパターン付き放射ビームＢａ’を位置合わせする。
【０１２８】
リソグラフィ装置ＬＡ１により受け取られる分岐放射ビームＢａは、ビーム分割装置１９から照明系ＩＬへと、照明系ＩＬの包囲構造における開口部８を通過する。任意的に、分岐放射ビームＢａは、中間焦点を開口部８またはその近傍に形成するよう集束されてもよい。
【０１２９】
照明系ＩＬは、ファセット型フィールドミラーデバイス１０及びファセット型瞳ミラーデバイス１１を含んでもよい。ファセット型フィールドミラーデバイス１０及びファセット型瞳ミラーデバイス１１はともに放射ビームＢａに所望の断面形状と所望の角度分布を与える。放射ビームＢａは、照明系ＩＬを通過して、支持構造ＭＴにより保持されたパターニングデバイスＭＡに入射する。パターニングデバイスＭＡは、放射ビームを反射しパターンを付与して、パターン付きビームＢａ’を形成する。照明系ＩＬは、ファセット型フィールドミラーデバイス１０及びファセット型瞳ミラーデバイス１１に加えて又はこれに代えて、他のミラーまたはデバイスを含んでもよい。照明系ＩＬは例えば、独立に移動可能なミラーのアレイを含んでもよい。独立に移動可能なミラーは例えば、１ｍｍ未満の大きさを有してもよい。独立に移動可能なミラーは例えば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであってもよい。
【０１３０】
パターニングデバイスＭＡでの反射に続いてパターン付き放射ビームＢａ’は投影系ＰＳに進入する。投影系ＰＳは、放射ビームＢａ’を基板テーブルＷＴにより保持された基板Ｗに投影するよう構成された複数のミラー１３、１４を備える。投影系ＰＳは、放射ビームに縮小率を適用し、パターニングデバイスＭＡ上の対応するフィーチャより小さいフィーチャをもつ像を形成してもよい。縮小率は例えば４が適用されてもよい。図２において投影系ＰＳは２つのミラー１３、１４を有するが、投影系は任意の数（例えば６つ）のミラーを含んでもよい。
【０１３１】
上述のように、ＥＵＶ放射ビームＢを発生させるよう構成された放射源は、自由電子レーザＦＥＬを備える。自由電子レーザは、集群された相対論的電子ビームを生成するよう動作可能なソースと、相対論的電子のバンチが通過する周期的磁場と、を備える。周期的磁場は、アンジュレータによって生成され、電子を中心軸線を基準とする振動的経路に追従させる。磁気的構造に起因する加速の結果として電子は自発的に電磁放射を概ね中心軸線の方向に放射する。相対論的電子は、アンジュレータ内で放射と相互作用する。ある条件の下でこの相互作用によって電子は、アンジュレータ内での放射波長で変調されたマイクロバンチへと集群され、中心軸線に沿うコヒーレント放射の放出が誘発される。
【０１３２】
電子がたどる経路は、電子が中心軸線を周期的に通過するよう正弦的かつ平面的であってもよく、または、電子が中心軸線まわりに回転するよう螺旋状であってもよい。振動的経路の種類は、自由電子レーザによって放出される放射の偏光に影響しうる。例えば、電子を螺旋状経路に沿って伝搬させる自由電子レーザは、楕円偏光された放射を放出しうる。これは、一部のリソグラフィ装置による基板Ｗの露光に望まれうる。
【０１３３】
図３は、入射器構成２１、線形加速器２２、アンジュレータ２４、及びビームダンプ１００を備える自由電子レーザＦＥＬの概略図である。自由電子レーザＦＥＬは、図１０にも概略的に示される（詳細は後述する）。
【０１３４】
自由電子レーザＦＥＬの入射器構成２１は、集群された電子ビームＥを生成するよう配設されており、例えば熱電子カソードまたはフォトカソードのような電子源と、加速電場と、を備える。電子ビームＥは、線形加速器２２によって相対論的速度に加速される。一例においては、線形加速器２２は、ある共通の軸線に沿って軸方向に空間をあけて配置された複数の高周波空洞と、電子バンチが通るとき各電子バンチを加速するよう共通の軸線に沿う電磁場を制御するよう動作可能な１つ又は複数の高周波電源と、を備えてもよい。空洞は、超伝導高周波空洞であってもよい。有利にはこれにより、比較的高い電磁場を高いデューティサイクルで印加することや、ビーム開口を大きくしてウェイク場による損失を小さくすること、ビームに伝達される高周波エネルギーの割合を（空洞壁に消失するのではなく）大きくすることが可能となる。あるいは、空洞は、従来のように、導電性（すなわち、超伝導ではない）であってもよく、例えば銅で形成されていてもよい。他の形式の線形加速器が使用されてもよい。例えば、線形加速器２２は、電子ビームＥが集束レーザビームを通過しレーザビームの電場が電子を加速させるレーザ加速器を備えてもよい。
【０１３５】
入射器構成２１は線形加速器２２とともに相対論的電子を提供する。
【０１３６】
任意的に、電子ビームＥはバンチ圧縮器２３を通過してもよい。バンチ圧縮器２３は、線形加速器２２の下流または上流に配置されてもよい。バンチ圧縮器２３は、電子ビームＥにおいて電子を集群し、電子ビームＥにおける既存の電子バンチを空間的に圧縮するよう構成されている。１つの形式のバンチ圧縮器２３は、電子ビームＥを横断するよう向けられた放射場を備える。電子ビームＥにおけるある電子が放射と相互作用し、近傍の他の電子を集群する。別の形式のバンチ圧縮器２３は、シケインを通過するとき電子がたどる経路の長さがそのエネルギーに依存する磁気シケインを備える。この形式のバンチ圧縮器は、線形加速器２２において複数の高周波空洞を使用して加速された電子バンチを圧縮するために使用されてもよい。
【０１３７】
電子ビームＥはそれからアンジュレータ２４を通る。一般に、アンジュレータ２４は、周期的磁場を生成するよう動作可能であり、かつ入射器構成２１及び線形加速器２２によって生成される相対論的電子をある周期的経路に沿って案内するよう配設された複数の磁石を備える。その結果として、電子は、概ねアンジュレータ２４の中心軸線の方向に電磁放射を放射する。アンジュレータ２４は、各セクションが周期的磁気構造を備える複数のモジュールを備える。電磁放射は、各アンジュレータモジュールの最初でバンチ（本書では光子バンチと称する）を形成してもよい。アンジュレータ２４は、隣接するモジュールが１つ以上の組をなしそれら組どうしの間に例えば四重極磁石のような電子ビームＥを再集束する機構をさらに備える。電子ビームＥを再集束する機構は、電子バンチのサイズを小さくしうるので、アンジュレータ２４内での電子と放射の結合を改善し、放射の放出の誘発を高めうる。
【０１３８】
自由電子レーザＦＥＬは、自己増幅自然放射（ＳＡＳＥ）モードで動作してもよい。あるいは、自由電子レーザＦＥＬは、アンジュレータ２４内で誘導放出により増幅されうるシード放射源を備えてもよい。放射ビームＢはアンジュレータ２４から伝搬する。放射ビームＢは、ＥＵＶ放射を備える。
【０１３９】
電子がアンジュレータ２４を通過するとき放射の電場と相互作用して放射とエネルギーを交換する。一般に、電子と放射とで交換されるエネルギー量は、共鳴条件に近い条件でない限り急速に振動し、次式で与えられる。
【数１】
0006417418.tif 000002
ここで、λｅｍは、放射の波長であり、λｕは、アンジュレータ周期であり、γは、電子のローレンツ因子であり、Ｋは、アンジュレータパラメータである。Ａは、アンジュレータ２４の幾何形状に依存し、螺旋アンジュレータの場合Ａ＝１であり、平面アンジュレータの場合Ａ＝２である。実際には、各電子バンチはエネルギー幅を有するが、この広がりは（低エミッタンスの電子ビームＥＢ１を生成することによって）可能な限り最小化される。アンジュレータパラメータＫは、典型的にはおよそ１であり、次式で与えられる。
【数２】
0006417418.tif 000003
ここで、ｑ及びｍはそれぞれ電子の電荷及び質量であり、Ｂ０は周期的磁場の大きさであり、ｃは光速である。
【０１４０】
共鳴波長λｅｍは、アンジュレータ２４を通過する電子によって自発的に放射される一次高調波の波長に等しい。自由電子レーザＦＥＬは、自己増幅自然放射（ＳＡＳＥ）モードで動作してもよい。ＳＡＳＥモードでの動作には、アンジュレータ２４への入射前の電子ビームＥＢ１における低エネルギー幅の電子バンチが必要となりうる。あるいは、自由電子レーザＦＥＬは、アンジュレータ２４内で誘導放出により増幅されうるシード放射源を備えてもよい。
【０１４１】
アンジュレータ２４を通過する電子は、放射の振幅を増加させうる。すなわち、自由電子レーザＦＥＬは、非ゼロのゲインを有してもよい。最大ゲインが実現されうるのは、共鳴条件が満たされるとき、または、条件が共鳴に近いがわずかに外れているときである。
【０１４２】
アンジュレータ２４に入射するとき共鳴条件を満たす電子は放射を放出（または吸収）するとともにエネルギーを失い（または得て）、それにより共鳴条件はもはや満たされなくなる。したがって、いくつかの実施の形態においては、アンジュレータ２４は、テーパ付きであってもよい。つまり、周期的磁場の振幅及び／またはアンジュレータ周期λｕは、電子バンチがアンジュレータ２４を通じて案内されるとき共鳴またはその近傍に維持されるように、アンジュレータ２４の長さに沿って変化してもよい。アンジュレータ２４内での電子と放射との相互作用が電子バンチ内にエネルギー幅を生成することに留意せよ。アンジュレータ２４のテーパリングは、共鳴またはその近傍にある電子数を最大化するよう構成されてもよい。例えば、電子バンチは、あるピークエネルギーにピークをもつエネルギー分布を有してもよく、テーパリングは、電子がこのピークエネルギーまたはその近傍を維持してアンジュレータ２４を通じて案内されるとき共鳴するよう構成されていてもよい。有利には、アンジュレータのテーパリングは、変換効率を顕著に増加する能力を有する。テーパ付アンジュレータを使用することにより、変換効率（電子ビームＥのエネルギーのうち放射ビームＢにおける放射に変換される割合）が２倍を超えて増加されうる。アンジュレータのテーパリングは、その長さに沿ってアンジュレータパラメータＫを小さくすることによって実現されてもよい。これは、アンジュレータ周期λｕ及び／または磁場強度Ｂ０をアンジュレータの軸線に沿って電子バンチエネルギーに整合させて共鳴またはその近傍にあることを確実にすることによって実現されてもよい。こうして共鳴条件を満たすことにより、放出される放射のバンド幅が大きくなる。
【０１４３】
アンジュレータ２４を出た後は、電磁放射（光子バンチ）は、放射ビームＢとして放出される。放射ビームＢは、リソグラフィ装置ＬＡ１からＬＡ８にＥＵＶ放射を供給する。放射ビームＢは任意的に、放射ビームＢを自由電子レーザＦＥＬからリソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８に向けるよう設けられうる専用の光学構成要素に向けられてもよい。ＥＵＶ放射は一般にあらゆる物質によく吸収されるので、損失を最小化するよう（透過性構成要素ではなく）反射光学構成要素が使用される。専用の光学構成要素は、リソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８の照明系ＩＬによる受入に適するように、自由電子レーザＦＥＬによって生成された放射ビームの特性を適応させてもよい。専用の光学構成要素は、図１に示すビーム拡大光学系２０及びビーム分割装置１９を含みうる。
【０１４４】
アンジュレータ２４を出た後は、電子ビームＥは、ダンプ１００（例えば、水、または、高エネルギー電子衝突による放射性同位体発生に高しきい値をもつ材料（例えばＡｌは約１５ＭｅＶのしきい値をもつ）を大量に含みうる）によって吸収される。ダンプ１００の通過前に、放射能を低減し及び／またはエネルギーの少なくとも一部を回収するよう電子ビームＥからエネルギーを抽出することが望まれうる。
【０１４５】
ビームダンプ１００によって吸収される前に電子のエネルギーを減少させるために、電子減速器２６がアンジュレータ２４とビームダンプ１００の間に配置されてもよい。電子減速器２６は、ビームダンプ１００によって吸収されるとき電子が持つエネルギー量を減らし、従ってビームダンプ１００に生成される誘導放射及び二次粒子の水準を低減する。これにより、ビームダンプ１００から放射性廃棄物を除去し処分する必要性が除去されまたは少なくとも低減される。これが有利であるのは、放射性廃棄物の除去には自由電子レーザＦＥＬを定期的に運転停止する必要があるとともに放射性廃棄物の処分には費用がかかり深刻な環境への影響がありうるからである。
【０１４６】
電子減速器２６は、電子のエネルギーをしきい値エネルギー未満に減少させるよう動作可能であってもよい。このしきい値エネルギー未満の電子は、ビームダンプ１００に放射能をいかなる顕著な水準にも引き起こし得ない。ビームダンプ１００の動作中はガンマ放射が存在するが、有利にはビームダンプ１００がオフに切り替わるとともにビームダンプ１００は安全に取り扱うことができる。
【０１４７】
（カソードのような）入射器の構成要素は、比較的短い動作寿命を有し、頻繁な交換またはメンテナンスを必要としうる。こうした交換およびメンテナンスは、当該要素が一部を形成する自由電子レーザに悪影響をもたらす。本発明のいくつかの実施の形態は、２台の入射器を提供し、それら入射器は、一の入射器がメンテナンスを許容すべくオフに切り替わるとき他の入射器は動作しているように構成されていてもよい。本発明のいくつかの実施の形態は、カソードのような入射器構成要素の動作寿命を増加しうる。
【０１４８】
図４を参照すると、入射器構成２１は、第１入射器３０と第２入射器３１とを備える。各入射器３０、３１は、例えば熱電子カソードまたはフォトカソードのような自身の電子源と加速電場とを備える。第１入射器３０は、第１の集群された電子ビームＥ１を生成するよう配設され、第２入射器３１は、第２の集群された電子ビームＥ２を生成するよう配設されている。各入射器３０、３１は、それぞれの集群され入射される電子ビームＥ１、Ｅ２をステアリングユニット３２に向けるよう配設されている。ステアリングユニット３２は、それら入射される電子ビームのうち一方を電子ビーム合流ユニット３３に選択的に向けるよう配設されている（図示のようにここでは第１の入射される電子ビームＥ１である）。入射される電子ビームのうち他方は電子ビームダンプ３４に向けられる（図示のようにここでは第２の入射される電子ビームＥ２である）。電子ビームダンプ３４は例えば、水の塊、または、高エネルギー電子衝突による放射性同位体発生に高いしきい値をもつ材料（例えばアルミニウム（Ａｌ）は約１５ＭｅＶのしきい値をもつ）を含んでもよい。
【０１４９】
ステアリングユニット３２は、当業者に直ちに明らかないかなる適切な方式で具体化されてもよい。一例として、ステアリングユニット３２は、進入する入射電子ビームＥ１、Ｅ２をビームダンプ３４または合流ユニット３３のいずれかの方向にステアリングするよう制御可能ないくつかのステアリング磁石を備えてもよい。
【０１５０】
ステアリングユニット３２は、いくつかのステアリングモードで動作するものとみなされうる。第１ステアリングモードにおいてステアリングユニット３２は、電子ビームを第１入射器３０から第１経路に沿ってビームダンプ３４へと向ける。第２ステアリングモードにおいてステアリングユニット３２は、電子ビームを第１入射器から合流ユニット３３へと向ける。
【０１５１】
合流ユニット３３へと向けられる入射電子ビームＥ１は、出力電子ビームを提供する。合流ユニット３３は、ステアリングユニット３２によって提供される入射電子ビームを、自由電子レーザＦＥＬ内を伝搬する既存の再循環電子ビームに合流させ、合流した電子ビームＥを線形加速器２２に向けるよう配設されている。合流ユニット３３は、当業者に直ちに明らかないかなる適切な方式で具体化されてもよい。一例として、合流ユニット３３は、磁場を生成して入射電子ビームＥ１を再循環電子ビームとの合流のためにステアリングユニット３２から向けるよう配設された複数の磁石を備えてもよい。自由電子レーザＦＥＬの初期化の際にはステアリングユニット３２によって提供される電子ビームと合流すべき再循環電子ビームが存在しないことに留意されたい。この場合、合流ユニット３３は単純に、ステアリングユニット３２によって提供される電子ビームを線形加速器２２に提供する。
【０１５２】
図４の入射器構成２１は、入射器３０、３１の一方に点検を許容するとともに入射器３０、３１の他方を使用可能である。例えば、図４は第１入射器３０が使用可能である場合を示す。つまり、第１入射器３０によって発生する電子ビームＥ１がステアリングユニット３２によって合流ユニット３３へと線形加速器２２への提供のために向けられている（電子ビームＥ１の実線表示により表されている）。図４に示されるように、第２入射器３１は使用不能である（電子ビームＥ２が電子ビームＥに寄与しないことを示すよう電子ビームＥ２と合流ユニット３３との間を破線で表している）。
【０１５３】
使用不能な入射器を使用可能状態に高速に切り替えるために、使用不能な入射器３１は、他方の入射器３０（動作している入射器）が集群された電子ビームを線形加速器２２に提供している間、スタンバイモードで動作してもよい（スタンバイ入射器）。スタンバイ入射器３１は、動作している入射器３０と同じ電荷を低いデューティサイクルで発生させてもよい。スタンバイ入射器３１によって生成される電荷は、（図示のように）ダンプ３４へと提供されてもよい。これは、動作している入射器がメンテナンスを要する場合に使用不能な入射器３１が動作している入射器の役割を素早く担うことを可能にする。
【０１５４】
メンテナンス中、使用不能な入射器は、動作モードでもスタンバイモードでもなく、電荷を発生しないオフ状態にあってもよい。使用不能な入射器の点検のための安全な環境を作り出すために、各入射器３０、３１は互いに遮蔽されていてもよい。各入射器は例えば、他方の入射器によって発生する放射からの遮蔽を提供する壁を有する室にそれぞれ設けられていてもよい。また、それらの室は、自由電子レーザＦＥＬの他の部分から遮蔽されていてもよい。
【０１５５】
図５は、ある代替的な実施の形態に係る入射器構成２１を概略的に示し、同様の構成要素には同様の参照符号が与えられている。図５においては、第１および第２の入射器３０、３１はそれぞれ、ビームダンプ３４の方向にそれぞれの電子ビームＥ１、Ｅ２を向けるよう配設されている。それぞれのステアリングユニット３５、３６は、各入射器３０、３１とビームダンプ３４との間に配置されている。各ステアリングユニット３５、３６は、受け取った電子ビームをビームダンプ３４または合流ユニット３３のいずれかに選択的に向けてもよい。こうして、一方の入射器３０、３１がスタンバイ（または完全に使用不能な）モードで動作している間、他方の入射器３０、３１が電子ビームを線形加速器２２に提供してもよい。
【０１５６】
ステアリングユニット３５、３６は、いくつかのステアリングモードで動作するものとみなされうる。第１ステアリングモードにおいて第１ステアリングユニット３５は、電子ビームを第１入射器３０から第１経路に沿ってビームダンプ３４へと向ける。第２ステアリングモードにおいて第１ステアリングユニット３５は、電子ビームを第１入射器３０から合流ユニット３３へと向ける。第３ステアリングモードにおいて第２ステアリングユニット３６は、電子ビームを第２入射器３１から第３経路に沿ってビームダンプ３４へと向ける。第４ステアリングモードにおいて第２ステアリングユニット３６は、電子ビームを第２入射器３１から合流ユニット３３へと向ける。
【０１５７】
図５の構成は有利には、図４の構成よりもステアリング機構の複雑さが小さくなりうる。つまり、ビームダンプ３４は各ステアリングユニット３５、３６に対し位置決めされればよく、電子ビームＥ１、Ｅ２をビームダンプ３４に向けるための電子ビームＥ１、Ｅ２の経路の調整が不要である。このようにして、ステアリングユニット３５、３６は、電子ビームＥ１、Ｅ２を合流ユニット３３に向けることだけに必要となる。
【０１５８】
合流ユニット３３に提供される電子ビームＥ内の電荷分布が一方の入射器から別の入射器に切り替わる（つまり一方の入射器が使用可能状態からスタンバイまたは使用不能状態に移行するとともに他の入射器がスタンバイまたは使用不能状態から使用可能状態に移行する）とき変わらないことを保証することが望まれうる。各入射器３０、３１から合流ユニット３３への経路長の差は、例えば各入射器からの電子ビームの拡大量を異ならせる結果、合流ユニットに提供される電子ビーム内の電荷分布におけるこうした変化の原因となりうる。したがって、すべての入射器と合流ユニット３３との間の経路長が等しいことを保証することが望まれうる。
【０１５９】
入射器と合流ユニット３３との間の経路長が等しくない場合、いくつかの集束要素が設けられてもよい。図６は、ある代替的な入射器構成２１を概略的に示し、同様の構成要素には同様の参照符号が与えられている。図６の構成においては、第１入射器３０は、第１電子ビームＥ１を第１ビームダンプ３４へと向けるよう配設される一方、第２入射器３１は、第２電子ビームＥ２を第２ビームダンプ３７へと向けるよう配設されている。それぞれのステアリングユニット３８、３９は、各入射器３０、３１とそれぞれのビームダンプ３４、３７との間に配置されている。それぞれのステアリングユニット３８、３９は、受け取った電子ビームをビームダンプ３４、３７への経路から、ステアリングユニット３９に隣接して配置されている合流ユニット３３への経路へと選択的に方向転換するよう動作可能である。
【０１６０】
ステアリングユニット３８、３９は、いくつかのステアリングモードで動作するものとみなされうる。第１ステアリングモードにおいて第１ステアリングユニット３８は、電子ビームを第１入射器３０から第１経路に沿ってビームダンプ３４へと向ける。第２ステアリングモードにおいて第１ステアリングユニット３８は、電子ビームを第１入射器３０から合流ユニット３３へと向ける。第３ステアリングモードにおいて第２ステアリングユニット３９は、電子ビームを第２入射器３１から第３経路に沿ってビームダンプ３４へと向ける。第４ステアリングモードにおいて第２ステアリングユニット３９は、電子ビームを第２入射器３１から合流ユニット３３へと向ける。
【０１６１】
第１入射器３０と合流部３３との間を移動する電子バンチの経路長は、第２入射器３１と合流部３３との間を移動する電子バンチの経路長より大きい。よって、合流ユニット３３での第１電子ビームＥ１内の電荷分布は、合流ユニット３３での第２電子ビームＥ２内の電荷分布と異なりうる。集束要素４０が第１ステアリングユニット３８と合流ユニット３３との間に設けられている。集束要素４０は例えば、必要に応じて第１電子ビームＥ１を狭めまたは広げるよう動作可能な四重極磁石を備えてもよい。集束要素４０はしたがって、第１および第２電子ビームＥ１、Ｅ２内の電荷分布が合流ユニット３３で同じとなるよう第１電子ビームＥ１の集束を調整してもよい。
【０１６２】
図６の実施の形態においては集束要素４０が第１ステアリングユニット３８と合流ユニット３３との間に設けられているが、それに代えてまたはそれとともに、集束要素が第２ステアリングユニット３９と合流ユニット３３との間に設けられてもよいものと理解されよう。第２ステアリングユニット３９と合流ユニット３３との間に設けられた集束要素は、電子ビームＥ１、Ｅ２の一方または両方を操作するよう動作可能であってもよい。より一般化すると、１つ又は複数の集束要素が電子ビームＥ１、Ｅ２の経路に沿って任意の位置に設けられてもよい。例えば、図４の実施の形態においては、仮に第１入射器３１が第２入射器３１よりもステアリングユニット３２から遠ければ、集束ユニットが第１入射器３１とステアリングユニット３２との間に設けられてもよい。
【０１６３】
また、図６の概略図示においては第１電子ビームＥ１が第２ステアリングユニット３９を通るよう示されているが、第１電子ビームＥ１は第２ステアリングユニット３９を通る必要はないものと理解されよう。さらに、第１電子ビームＥ１が第２ステアリングユニット３９を通る場合、第２ステアリングユニット３９が電子ビームＥ１を積極的にステアリングすることは必須でない。
【０１６４】
経路長に加えて、入射器と合流ユニットとの間で電子ビームが曲がる角度の差も、それら電子ビーム間の合流ユニットでの電荷分布の違いをもたらしうる。図７は、ある代替的な入射器構成２１を概略的に示し、同様の構成要素には同様の参照符号が与えられている。図７の構成においては、第１入射器３０は、第１電子ビームＥ１をビームダンプ３４の方向に向けるよう配設される一方、第２入射器３１は、第２電子ビームＥ２を第２ビームダンプ３７の方向に向けるよう配設されている。それぞれのステアリングユニット３８、３９は、各入射器３０、３１とそれぞれのビームダンプ３４、３７との間に配置されている。それぞれのステアリングユニット３８、３９は、受け取った電子ビームをビームダンプ３４、３７への経路から、ステアリングユニット３８、３９間に配置されている合流ユニット３３への経路へと選択的に方向転換するよう動作可能である。図７の構成は、各電子ビームＥ１、Ｅ２がそれぞれの入射器３０、３１と合流ユニット３３との間で偏向される角度が等しい入射器構成２１の一例を与えており、それにより、偏向角度が異なることによって生じうる電子ビームＥ１、Ｅ２内の電荷分布の不一致が低減される。合流ユニット３３は、第１入射電子ビームＥ１の再循環電子ビームとの合流と第２入射電子ビームＥ２の再循環電子ビームとの合流とを切り替える。これは、例えば図１１に関連して詳細を後述するような、切替可能な極性をもつ双極磁石を使用して実現されてもよい。
【０１６５】
ステアリングユニット３８、３９は、いくつかのステアリングモードで動作するものとみなされうる。第１ステアリングモードにおいて第１ステアリングユニット３８は、電子ビームを第１入射器３０から第１経路に沿ってビームダンプ３４へと向ける。第２ステアリングモードにおいて第１ステアリングユニット３８は、電子ビームを第１入射器３０から合流ユニット３３へと向ける。第３ステアリングモードにおいて第２ステアリングユニット３９は、電子ビームを第２入射器３１から第３経路に沿ってビームダンプ３４へと向ける。第４ステアリングモードにおいて第２ステアリングユニット３９は、電子ビームを第２入射器３１から合流ユニット３３へと向ける。
【０１６６】
図８は、ある代替的な入射器構成２１を概略的に示し、同様の構成要素には同様の参照符号が与えられている。図８の構成は概ね図６の構成に一致し、同じ構成要素が概ね同じレイアウトを有する。ところが図６の入射器構成においては、電子ビームＥ１、Ｅ２がそれぞれの入射器３０、３１によって放出される方向が合流ユニット３３に進入するときの電子ビームＥの方向と実質的に平行であるよう図示されている。つまり、図６の構成においては、ステアリングユニット３８、３９が電子ビームＥ１、Ｅ２を９０度の角度曲げるよう図示されている。これに対して、図８の構成においては、入射器３０、３１およびそれぞれのビームダンプ３４、３７は、ステアリングユニット３８、３９が電子ビームを合流ユニット３３へと向けるよう各電子ビームＥ１、Ｅ２を曲げなければならない角度が９０度未満であるように、合流ユニット３３に進入するときの入射電子ビームＥ１、Ｅ２の伝搬方向に対し角度をなしてそれぞれ配設されている。同様に、図８の構成においては、合流ユニット３３は、入射電子ビームＥ１、Ｅ２を９０度未満の角度曲げるよう配設されている。
【０１６７】
したがって、図８の構成においては、各電子ビームＥ１、Ｅ２が曲げられる合計角度が図６の構成に比べて小さくなり、それにより、電子ビーム内の電荷分布の不一致による悪影響が低減される。
【０１６８】
上記では一つの入射器がいつでも使用可能であると述べているが、より一般には、複数の入射器が同時に使用可能であってもよい。例えば、図５の構成においては、各入射器３０、３１が同時に使用可能であってもよい。つまり、ステアリングユニット３５、３６は、両方の電子ビームＥ１、Ｅ２を合流ユニット３３に同時に向け、電子ビームＥ１、Ｅ２が線形加速器２２に提供される電子ビームＥを提供するよう配設されていてもよい。両方の電子ビームＥ１、Ｅ２が合流ユニット３３に提供される場合、各入射器３０、３１は、ある低減された繰り返し率で動作してもよい（すなわち、ある所与の期間により少ない電子バンチを放出してもよい）。例えば、単独で動作している一方の入射器の繰り返し率の半分の繰り返し率で各入射器３０、３１が動作してもよい。この場合、電子ビームＥは、第２入射器３１からの電子バンチと交互配置された第１入射器３０からの電子バンチを備えてもよい。
【０１６９】
既述の実施の形態においては各入射器構成が２台の入射器３０、３１を備えるが、追加の入射器が（必要な場合には対応する追加のステアリング構成を設けるとともに）設けられてもよいことは理解されよう。加えて、既述の実施の形態においては各入射器構成が電子ビームを合流ユニット（すなわち、エネルギー回収型ライナック（ＥＲＬ）ＦＥＬと称されうるＦＥＬ構成において）に提供するが、エネルギー回収が使用されない場合には、入射器構成によって発生した電子ビームは合流部に提供されるのではなく、ライナック２２へと直接に既存の電子ビームと合流せずに提供されるものと理解される。この場合、電子ビームＥをライナックに向けるための追加のステアリングユニットが必要とされうる。あるいは、入射器構成は、電子ビームＥが入射器構成から追加のステアリングユニットを使用せずに提供されるよう配設されていてもよい。
【０１７０】
上述のように、各入射器は、電子を発生させるよう構成されたフォトカソードを備えてもよい。各入射器のフォトカソードは、レーザのような放射源（本書ではフォトカソード駆動レーザと称される）から放射ビームを受けるよう配設されていてもよい。
【０１７１】
各入射器のフォトカソードは、電圧源を使用することによって高電圧に保持されてもよい。例えば、ある入射器のフォトカソードは、およそ数百キロボルトの電圧に保持されてもよい。レーザビームの光子がフォトカソードによって吸収され、フォトカソード内の電子をより高いエネルギー状態に励起しうる。フォトカソード内の一部の電子は、フォトカソードから放出されるよう十分に高いエネルギー状態へと励起されうる。フォトカソードの高電圧は負であるから、フォトカソードから放出される電子をフォトカソードから遠ざけるよう加速する役割を果たす。これにより電子ビームが形成される。
【０１７２】
フォトカソード駆動レーザによって提供されるレーザビームは、電子がフォトカソードからバンチで放出されるようパルス化され、バンチはレーザビームのパルスに対応していてもよい。フォトカソード駆動レーザは例えば、ピコ秒レーザであってもよく、よってレーザビームにおけるパルスはおよそ数ピコ秒の持続時間を有してもよい。フォトカソードの電圧はＤＣ電圧またはＡＣ電圧であってもよい。フォトカソードの電圧がＡＣ電圧である実施の形態においては、フォトカソード電圧の周波数および位相は、レーザビームのパルスがフォトカソードの電圧のピークに一致するように、レーザビームのパルスと整合されていてもよい。
【０１７３】
いくつかの実施の形態においては、単一のフォトカソード駆動レーザが多数の入射器のフォトカソードにレーザビームを供給してもよい。ある例示的な実施の形態が図９に概略的に示されており、２台の入射器３０、３１は、単一のフォトカソード駆動レーザ５０によって駆動される。フォトカソード駆動レーザ５０は、パルスレーザビーム５１をビームスプリッタ５２に放出するよう配設されている。ビームスプリッタ５２は、レーザビーム５１を入射器３０、３１それぞれに向けられる２本のパルスレーザビーム５３、５４へと分割するよう配設されている。パルスレーザビーム５３、５４は、入射器３０、３１のハウジングに設けられたそれぞれの窓５５、５６を通じて入射器３０、３１に進入し、それぞれのミラー５７、５８に入射する。
【０１７４】
それぞれ電子バンチＥ１、Ｅ２をフォトカソード５９、６０に放出させるように、第１入射器３０のミラー５７は、パルスレーザビーム５３を第１フォトカソード５９に向けるよう配設され、第２入射器３１のミラー５８は、パルスレーザビーム５４を第２フォトカソード６０に向けるよう配設されている。
【０１７５】
入射器３０、３１の一方をスタンバイモードで動作させ、または、入射器３０、３１の一方を（例えばメンテナンスのために）使用不能とすることを可能にするために、ビームスプリッタ５２は、入射器３０、３１のいずれかに向けられているレーザ放射を選択的に妨げるよう動作可能であってもよい。ビームスプリッタ５２は、入射器３０、３１それぞれに提供されるパルスレーザビームの周波数を独立に変化させるよう動作可能であってもよい。例えば、第１入射器３０が使用可能であり第２入射器３１がスタンバイモードにある場合、第２入射器３１に提供されるパルス放射ビームの周波数が第１入射器３０に提供されるパルス放射ビームの周波数より小さくてもよい。
【０１７６】
あるいは、ビームスプリッタ５２は、パルスレーザ放射ビーム５３、５４を入射器双方に常時等しく提供してもよい。この場合、ある入射器のフォトカソードに印加される電圧を調整することによってその入射器がスタンバイモードに置かれてもよい。例えば、スタンバイの入射器のフォトカソードに印加される電圧は、使用可能な入射器のフォトカソードに印加される電圧よりも低い頻度で高くされ（それによりスタンバイ入射器のデューティサイクルが低減され）てもよい。
【０１７７】
図９は単に概略的であり、各入射器は図示されるよりも多くの構成要素を備えてもよいことは理解されよう。例えば、各入射器のフォトカソードは、真空チャンバ内に収納されていてもよく、各入射器は、加速電場を備えてもよい。
【０１７８】
図１０は、自由電子レーザＦＥＬを概略的に示し、これは、入射器構成１２１、線形加速器１２２、およびアンジュレータ１２４を備える。入射器構成１２１は、第１室１８０に設けられ、線形加速器１２２およびアンジュレータ１２４は、第２室１８１に設けられている。ＥＵＶ放射ビームＢは、アンジュレータ１２４から出力され、（例えば図１に関連して説明したように）いくつかのリソグラフィ装置に提供されてもよい。
【０１７９】
入射器構成１２１は、第１入射器１３０および第２入射器１３１を備える。第１入射器１３０は、第１室１７８に配置され、第２入射器１３１は、第２室１７９に配置されている。各入射器１３０、１３１は、例えばフォトカソードのような自身の電子源と、加速電場と、を備える（例えば図１２に示される）。加速電場は、電子源によって発生した電子をそれらが入射器１３０、１３１から例えば１０ＭｅＶ程度のエネルギーを有して出るように加速する。入射器１３０、１３１は、合流ユニット１３３に向けられる電子ビームＥ１、Ｅ２を発生させる。合流ユニット１３３は、電子ビームＥ１、Ｅ２を再循環電子ビームＥＩＲと合流させる（再循環電子ビームの起源の詳細は後述される）。各入射電子ビームＥ１、Ｅ２は、合流ユニット１３３で再循環ビームと合流するとき再循環電子ビームＥＩＲに対し角度αをなす。角度αは、例えば３０度程度またはそれ未満であってもよいし、例えば１５度程度またはそれ未満であってもよい。
【０１８０】
実際には、通常動作中に入射器１３０、１３１の一方が、日常的なメンテナンスを可能にするために例えばスタンバイモードで動作しまたはオフに切り替えられる等、オフラインとなりうる。よって、再循環電子ビームＥＩＲは、第１入射器１３０によって発生した電子ビームＥ１または第２入射器１３１によって発生した電子ビームＥ２のいずれかと合流する。用語の簡単のために、合流ユニット１３３以後の入射電子ビームは、（入射電子ビームＥ１またはＥ２に代えて）入射電子ビームＥと表記される。
【０１８１】
線形加速器１５０は、入射器構成１２１の一部を形成する。線形加速器１５０は、入射電子ビームＥの電子を加速し、それらのエネルギーを少なくとも２０ＭｅＶ増加する。電子は１０ＭｅＶ程度のエネルギーで線形加速器１５０に進入するから、３０ＭｅＶまたはそれより高いエネルギーで線形加速器を出ることになる。よって入射器構成は、３０ＭｅＶまたはそれより高いエネルギーをもつ電子ビームＥを提供する。この電子ビームＥは、開口部（図示せず）を通じて第１室１８０から第２室１８１へと通過する。
【０１８２】
第２室１８１において線形加速器１２２は電子ビームＥの電子を加速する。線形加速器１２２によって電子に与えられるエネルギーは、入射器構成１２１の線形加速器１５０によって与えられるエネルギーよりも顕著に大きい。線形加速器１２２によって与えられるエネルギーは例えば、１００ＭｅＶ程度またはそれより高くてもよい。加速された電子ビームＥは、線形加速器１２２からアンジュレータ１２４へと通過する。アンジュレータにおいて放射ビームＢが上述のように電子ビームＥによって発生する。
【０１８３】
第２室１８１における線形加速器１２２は、主線形加速器１２２（または第２線形加速器）と称されてもよく、第１室１８０における線形加速器１５０は、入射器線形加速器１５０と称されてもよい。入射器線形加速器１５０および主線形加速器１２２は、ある代替的な構成においては、同室に設けられていてもよい。
【０１８４】
入射器１３０、１３１による発生後かつ電子ビームが主線形加速器１２２に進む前に電子ビームＥを加速することは、主線形加速器によって受け取られる電子バンチの品質が顕著に向上される点で有利である。電子ビームＥは、入射器構成１２１から線形加速器１２２へと進むときある相当な距離（例えば１０ｍを超える）を進みうる。仮に電子ビームＥの電子が（入射器１３０、１３１によって与えられると予想されうる）１０ＭｅＶ程度のエネルギーを有したとすると、電子が主加速器１２２に進むとき電子ビームの電子バンチの品質に顕著な劣化が起こるであろう。この文脈での用語「品質」は、電子バンチの稠密さおよびある電子バンチ内での電子エネルギー幅を指すものと解釈されうる。劣化は空間電荷効果により起こる。この空間電荷効果は、マイクロバンチ不安定効果の例であるが、不可避である。入射器線形加速器１５０を使用して電子ビームＥを加速することにより、電子のローレンツ因子が顕著に増加され、その結果、電子は増加された質量を入射器構成１２１から主線形加速器１２２へと進むとき有する。電子の増加された質量が空間電荷効果に起因するバンチ劣化を低減するのは、電子に空間電荷力により印加される加速度が減少するからである。このようにして電子バンチの品質が高められる。
【０１８５】
ある実施の形態においては、電子のエネルギーが１０ＭｅＶから３０ＭｅＶ以上に増加する場合、電子の質量はおよそ３倍以上となる。対応して電子ビームバンチの劣化は２／３以上低減する。一部のマイクロバンチ不安定効果の規模はローレンツ因子γに関して非線形に低減され、例えばγ２の因子またはγ３の因子で低減しうる。よってマイクロバンチ不安定効果は電子のエネルギーが増すときわめて実質的に低減される。
【０１８６】
入射器線形加速器１５０は、２０Ｍｅｖを顕著に超えるエネルギーを電子に与えてもよい。例えば３０ＭｅＶ以上が与えられてもよい。例えば５０ＭｅＶ以上または６０ＭｅＶ以上が与えられてもよい。入射器線形加速器１５０は例えば、５０ＭｅＶ以上または６０ＭｅＶ以上を与えるよう構成されたモジュールとして提供されてもよい。あるいは、入射器線形加速器１５０は、そうしたモジュールの半分として提供されてもよく、２０ＭｅＶ以上または３０ＭｅＶ以上を与えるよう構成されていてもよい。電子ビームにより多くのエネルギーを与えることによりマイクロバンチ不安定効果が一層低減されるので、主加速器１２２によって受け取られる電子バンチの品質はさらに高まる。
【０１８７】
電子ビームＥにおける電子のエネルギーを増すことに代えて、入射器から主線形加速器への経路の長さが単に低減されうることが考慮されるかもしれない。しかしながら、これを行うには実際には問題がありうるし、短距離で例えば４５°を超える大きな偏向角度が必要となりうる。そうなりうるのは例えば、入射器１３０、１３１が主線形加速器と異なる室１７８、１７９に配置される場合である（これは自由電子レーザＦＥＬの動作中に入射器のメンテナンスを可能とするために望まれうる）。電子ビームＥに作用する大きな偏向角度は、電子にコヒーレントシンクロトロン放射を放出させる。電子によってある電子バンチの正面に放出されるコヒーレントシンクロトロン放射は、ある電子バンチの背側の電子と相互作用をする。よってコヒーレントシンクロトロン放射は電子バンチを乱しその品質を劣化させる。コヒーレントシンクロトロン放射の放出および当該放射の電子バンチとの相互作用は、マイクロバンチ不安定効果の他の例である。
【０１８８】
本発明のある実施の形態が使用される場合、電子ビームＥの電子に作用する空間電荷不安定効果がきわめて実質的に低減される。これは、入射器構成１２１から主線形加速器１２２への経路長を長くすることを可能にするとともに、その長さ増加の結果としての電子ビームにおける電子バンチの品質低下を少ししかもたらさない。経路長の増加は、電子ビームＥをより緩やかに曲げることを可能としうる（すなわち、所与の電子ビーム方向変化を実現するのに、より長い経路長を利用可能である）。電子ビーム方向の変化は例えば、双極磁石と四重極磁石の組合せを使用して実現されてもよい。双極磁石および四重極磁石を収容するようより長い経路長を提供することは、（磁石を収容するのにより短い経路長が利用可能である場合に電子ビーム方向の変化中に放出されるシンクロトロン放射の量に比べて）電子ビーム方向の変化中に放出されるシンクロトロン放射をより少なくするように、それら磁石を配設することを可能としうる。
【０１８９】
よって、電子ビームにおける電子のエネルギーを増加し、それにより電子のローレンツ因子（および質量）を増加することによって、マイクロバンチ不安定効果が低減される。これにより、主線形加速器１２２によって受け取られる電子ビームにおける電子バンチの品質が向上される。
【０１９０】
入射器線形加速器１５０は、エネルギー回収型線形加速器である。つまり、入射器線形加速器１５０は、再循環電子ビームＥＩＲから入射電子ビームＥへとエネルギーを伝達する。再循環電子ビームＥＩＲは、入射器線形加速器における加速場（例えば高周波場）に対し１８０度程度の位相差を有して入射器線形加速器１５０に進入する。入射器線形加速器１５０における電子バンチと加速場との位相差は、場による減速を再循環電子ビームＥＩＲの電子に生じさせる。減速している電子はそれらのエネルギーの一部を入射器線形加速器１５０における場に受け渡し、それにより入射電子ビームＥを加速する場の強度が高まる。こうしてエネルギーが再循環電子ビームＥＩＲから入射電子ビームＥへと伝達される。
【０１９１】
ある実施の形態においては、再循環電子ビームＥＩＲは３０ＭｅＶのエネルギーを有し、入射器線形加速器１５０は再循環電子ビームから入射電子ビームＥへと２０ＭｅＶのエネルギーを伝達する。よって、３０ＭｅＶのエネルギーをもつ出力電子ビームＥと１０ＭｅＶのエネルギーをもつ再循環電子ビームＥＩＲが入射器線形加速器１５０から提供される。再循環電子ビームＥＩＲは分離ユニット１３４によって電子ビームＥから分離され、ビームダンプ１５１に向けられる。
【０１９２】
入射器線形加速器１５０はエネルギー回収型線形加速器であり再循環電子ビームＥＩＲから入射電子ビームＥへとエネルギーを伝達するから、線形加速器がエネルギー回収型線形加速器ではなかった場合に比べてかなり少ないエネルギーが使用される。入射器線形加速器１５０は、ゼロに近い平衡化された空洞負荷を有してもよい。つまり、入射電子ビームＥにおける電流は、再循環電子ビームＥＩＲにおける電流と実質的に整合してもよく、再循環電子ビームＥＩＲから抽出されるエネルギーは、入射電子ビームＥに与えられるエネルギーとほとんど同じであってもよい。実際には、入射電子ビームＥに与えられるエネルギー量は再循環電子ビームＥＩＲから抽出されるエネルギーよりわずかに高いかもしれず、この場合いくらかのエネルギーがこの差を埋めるように入射器線形加速器１５０に与えられる。一般には、入射器線形加速器１５０を出るときの再循環電子ビームＥＩＲのエネルギーは、第１入射器１３０によって提供される電子ビームＥ１（または同等に第２入射器１３１によって提供される電子ビームＥ２）のエネルギーに実質的に一致する。
【０１９３】
上述のように、入射器１３０、１３１は電子が合流ユニット１３３に達する前にそれらを加速する加速電場を各々が含む。加速電場は、入射器線形加速器１５０および主線形加速器１２２と同じ動作原理（すなわち、電子を加速する高周波（ＲＦ）場がいくつかの空洞に与えられる）を使用する線形加速器によって提供される。しかしながら、入射器１３０、１３１内に提供される加速と後段の加速との重要な違いは、その入射がエネルギー回収型線形加速器によって提供されないことである。よって、電子が合流ユニット１３３に達する前にそれらを加速するのに必要なすべてのエネルギーが、入射器１３０、１３１に与えられなければならない（一切のエネルギーが回収されたエネルギではない）。例えば、電子を１０ＭｅＶに加速するには３００ｋＷ程度の電力が必要である。仮に電子が入射器１３０によって例えば３０ＭｅＶに加速されるべきであったとすると、９００ｋＷ程度の電力を要するであろう。こうした高電力を与えることの不利益は、入射器１３０、１３１の極低温冷却が問題となりうることである。加えて、電力供給部に接続される負荷の大きさのために入射器１３０、１３１のオンオフ切替時に複雑さが生じうる。
【０１９４】
電子を３０ＭｅＶ（または他のエネルギー）に加速するためにエネルギー回収型入射器線形加速器１５０を使用することにより、電子を加速するのに使用されるエネルギーが再循環電子ビームＥＩＲから回収されるので、上述の問題が回避される。電子ビームを比較的低いエネルギー（例えば１０ＭｅＶまたはそれ未満）で入射して電子ビームを加速するようエネルギー回収型入射器線形加速器１５０を使用することの追加の利点は、再循環電子ビームＥＩＲが入射器線形加速器の通過後に１０ＭｅＶ以下のエネルギーを有することである。これはビームダンプ１５１において誘導放射能を回避するのに十分に低いエネルギーである。仮に入射電子ビームが顕著に高いエネルギー（例えば２０ＭｅＶ）を有したとすると、ビームダンプにおける誘導放射能を回避するためにビームダンプ１５１の手前に電子減速ユニットを追加することが必要となるであろう。
【０１９５】
主線形加速器１２２もまたエネルギー回収型線形加速器である。主線形加速器１２２におけるエネルギー回収は、入射器線形加速器１５０におけるエネルギー回収と同様に働く。アンジュレータ１２４を出ると電子ビームＥは１８０度程度の位相差で主線形加速器１２２を再循環する。次いで電子ビームは入射電子ビームＥ１、Ｅ２と合流する再循環電子ビームＥＩＲとして入射器構成１２１に進入する。
【０１９６】
電子ビームＥの電子バンチは、連続するバンチ列として提供され、列どうしの間に隙間が設けられてもよい。隙間はクリアリングギャップと称されてもよく、ある電子バンチ列の隣接電子バンチ間の間隔より長い。電子ビーム経路において衝突電離により残留ガスからイオンが生成される。イオンは正の電荷をもち、イオンの発生速度は仮にイオンが除去されなかったとしたら時間とともに電子ビームＥが中性化されるであろう程度である（例えば、電子ビームの１メートルあたりイオン電荷が電子電荷と釣り合う）。電子ビームＥにおけるクリアリングギャップは、電子ビーム経路から遠ざかるようイオンをドリフトさせることを可能とし、それにより、捕捉されたイオンの蓄積が防止または軽減される。電子ビームから離れるイオンのこのドリフトは、ビーム経路に沿ってどの位置でも起こりうる。電子ビーム経路から遠ざかるようイオンがドリフトする速度を増すよう機能する引出電極が設けられてもよい。
【０１９７】
図１０を考慮して理解されうるように、自由電子レーザにおけるいくつかの場所で電子ビームＥと再循環電子ビームＥＩＲは互いに共伝搬する。これは合流ユニット１３３と分離ユニット１３４の間で生じ、ビームは入射器線形加速器１５０を共伝搬する（この共伝搬こそが線形加速器においてエネルギー回収を起こすことを可能にする）。同様に、電子ビームＥと再循環電子ビームＥＩＲは主線形加速器１２２においても共伝搬する。
【０１９８】
電子ビームＥと再循環電子ビームＥＩＲが共伝搬する場所でクリアリングギャップを有効にするために、電子ビームＥにおけるクリアリングギャップは、再循環電子ビームＥＩＲにおけるクリアリングギャップと同期されるべきである。イオンを電子ビーム経路外にドリフトさせることを可能にすることに加えて、入射器線形加速器１５０および主線形加速器１２２を通過するときクリアリングギャップを同期させることによって、加速器のエネルギー回収動作が妨げられないという利点も提供される（仮に、減速しているビームにはクリアリングギャップが存在し加速しているビームには対応するクリアリングギャップがなかったとすると、加速器は加速された電子ビームのエネルギーに不所望の変動をもたらすであろう）。
【０１９９】
ある実施の形態においては、クリアリングギャップの同期を可能とするために、図１０に示される２つのループの電子ビーム経路長が互いに等しくてもよい。第１ループは合流ユニット１３３から入射器線形加速器１５０および主線形加速器１２２を通り合流ユニットに戻るよう測定される（アンジュレータ１２４は通らない）。第２ループは主線形加速器１２２の入口から主線形加速器およびアンジュレータ１２４を通り主線形加速器１２２の入口に戻るよう測定される。クリアリングギャップを発生させる速度は、ループの一方を電子が周回する時間（第１ループを周回する時間は第２ループを周回する時間と同じである）に対応する。これにより電子ビームＥと再循環電子ビームＥＩＲにおけるクリアリングギャップの同期が提供され、その結果イオンクリアランスが（入射器線形加速器１５０および主線形加速器１２２内を含む）電子ビーム経路全体に生じることができる。一般には、入射電子ビームにおけるクリアリングギャップが再循環電子ビームのクリアリングギャップと同期されてもよい。
【０２００】
図１０には主線形加速器１２２およびアンジュレータ１２４と同一平面にある入射器構成１２１が概略的に示されているが、これは必須ではない。入射器構成１２１は、別の平面に設けられてもよい。例えば、入射器構成が設けられた室１８０は、主線形加速器１２２およびアンジュレータ１２４が設けられた室１８１の上方または下方にあってもよい。
【０２０１】
一般には、自由電子レーザＦＥＬの各室１８０〜１８３は、室外からの放射が室内の操作者に入射しない（逆も同様）ように放射を遮蔽する壁、床、および天井を有してもよい。これにより、例えば操作者が一方の入射器１３０を修理しているとき他方の入射器１３１および自由電子レーザＦＥＬの他の部分が動作中であることが可能となる。
【０２０２】
図１１は、合流ユニット１３３の詳細を入射器構成１２１の第１および第２の入射器１３０、１３１とともに概略的に示す。図１１において第２入射器１３１が使用可能であり第１入射器１３０は（例えばメンテナンスを可能とするよう）オフに切り替えられまたはスタンバイモードにある。合流ユニット１３３は、入射電子ビームＥ２を再循環電子ビームＥＩＲと、これら２つの電子ビームが合流ユニットを出るときそれらが共線的に伝搬するよう合成する。
【０２０３】
合流ユニット１３３は、いくつかの双極磁石およびいくつかの四重極磁石を備える。この実施の形態においては、双極磁石および四重極磁石は電磁石である（ただし双極磁石及び／または四重極磁石は永久磁石であってもよい）。それら双極磁石は、円盤を含む正方形１６１、１６２、１７０〜１７３、１８１、１８２によって概略的に表示されている。双極磁石は、電子ビームの伝搬方向を変える（方向が変化する位置が円盤によって概略的に表示されている）。四重極磁石は、円盤を含まない長方形１６３、１８３、１７５によって概略的に示されている。四重極磁石は、電子ビームの集束を維持する（すなわち電子ビームの不所望の発散を防ぐ）よう機能する。
【０２０４】
入射電子ビームＥ２および再循環電子ビームＥＩＲは、合成双極磁石１７３によって合成される。概略的に図示されるように、入射電子ビームＥ２と再循環電子ビームＥＩＲとは入射器構成の軸線Ａ（点線で示す）に対し異なる方向を有する。この実施の形態においては、入射電子ビームＥ２は、合成双極磁石１７３に進入するとき軸線Ａに対し例えば１５°程度の角度をなす。再循環電子ビームＥＩＲは、合成双極磁石１７３に進入するとき軸線Ａに対し例えば２°程度の角度をなす。入射電子ビームは１０ＭｅＶ程度のエネルギーを有し、再循環電子ビームＥＩＲはこの例では８０ＭｅＶ程度のエネルギーを有する。
【０２０５】
合成双極磁石１７３は、電子ビームＥ２、ＥＩＲの双方をそれらが合成双極磁石を通過するとき右方に曲げる。合成双極磁石１７３によって電子ビームＥ２、ＥＩＲに適用される偏向角度は、電子ビームのエネルギーに反比例する。入射電子ビームＥ２は、１０ＭｅＶのエネルギーを有しており、合成双極磁石１７３を出射するとき軸線Ａの方向に伝搬するよう１５°程度の角度曲げられる。再循環電子ビームＥＩＲは、８０ＭｅＶというかなり高いエネルギーを有しており、２°程度の角度曲げられる。２°の偏向角度は、再循環電子ビームＥＩＲが合成双極磁石１７３を出射するとき同様に軸線Ａの方向に伝搬するためのものである。入射電子ビームＥ２が合成双極磁石１７３に進入する空間位置と再循環電子ビームＥＩＲがその双極磁石に進入する空間位置は、合成双極磁石１７３を出るとき両者が同じ空間位置を有するよう選択される。こうして合成双極磁石１７３は、２つの電子ビームをそれらが合成双極磁石を出射するとき軸線Ａに沿って伝搬する（互いに共線的である）よう合成する。
【０２０６】
図１１に示される他の双極磁石１６１、１６２、１７０〜１７２は、電子ビームＥ２、ＥＩＲを合成双極磁石１７３へと、それら電子ビームが合成双極磁石１７３を出るとき中心軸に沿って伝搬する（すなわち共線的である）ような軸線Ａに対する角度および空間位置で搬送するよう構成されている。電子ビームＥ２、ＥＩＲのエネルギーは自由電子レーザの設計段階で決定されるから、それに従って双極磁石の概略構成も自由電子レーザを設計するときに選択されてもよい。双極磁石１６１、１６２、１７０〜１７３により提供されるビーム偏向角度は、ビームアライメントを提供するために入射器構成１２１の据付時にチューニングされてもよい。
【０２０７】
電子ビームＥ２、ＥＩＲを合成双極磁石１７３へと軸線Ａに対し所望の角度および空間位置で搬送することに加えて、双極磁石１６１、１６２、１７０〜１７２は、電子ビームにおける電子バンチ品質を維持する（または実質的に維持する）よう構成されていてもよい。
【０２０８】
一組の双極磁石１６１、１６２が入射電子ビームＥ２の経路に設けられている。第１双極磁石１６１は、入射電子ビームＥ２を右方に曲げるよう配設され、第２双極磁石は１６２は、入射電子ビームＥ２を左方に曲げるよう配設されている。一組の双極磁石１６１、１６２の通過後に、入射電子ビームＥ２は、入射電子ビームを右方に曲げる合成双極磁石１７３を通過する。こうして入射電子ビームＥ２は３つの双極磁石１６１、１６２、１７３を通過する。また、入射電子ビームＥ２は、第１双極磁石１６１の手前に設けられた四重極磁石、第１双極磁石と第２双極磁石の間に設けられた四重極磁石、および第２双極磁石１６２の後方に設けられた四重極磁石を通過する。
【０２０９】
双極磁石１６１、１６２は、入射電子ビームＥ２を合成双極磁石１７３へと軸線Ａに対し所望の角度で搬送するよう構成されている（所望の角度は例えば１５°であってもよい）。四重極磁石１６３は、第１双極磁石１６１の手前、第１双極磁石と第２双極磁石の間、および第２双極磁石１６２の後方に設けられている。四重極磁石１６３は、入射電子ビームＥ２の集束を維持する（すなわち入射電子ビームの不所望の発散を防止する）。３つの双極磁石１６１、１６２、１７３および３つの四重極磁石１６３が組み合わされて、入射電子ビームＥ２の実質的にアクロマティックな偏向を提供する（すなわち、合成双極磁石１７３後方での電子ビームの位置および方向が入射電子ビームＥ２のエネルギーから独立である）。また、双極磁石１６１、１６２、１７３および四重極磁石１６３は、入射電子ビームＥ２の実質的にアイソクロナスな偏向を提供する（すなわち、あらゆるエネルギーの電子が同じ経路長に沿って進む）。双極磁石１６１、１６２、１７３および四重極磁石１６３のいくらかのチューニングが電子ビームに所望のバンチ品質がもたらされるよう据付時に行われてもよい。チューニングは例えば、入射器線形加速器１５０後方での電子バンチの品質に配慮する。ある場合には、入射器線形加速器１５０後方での最良の電子バンチ品質は、双極磁石１６１、１６２、１７３および四重極磁石１６３を使用して入射電子ビームＥ２に例えば少量のクロマティシティを意図的に導入することによって実現されてもよい。一般には、双極磁石１６１、１６２、１７３および四重極磁石１６３は、線形加速器１５０後方で電子バンチに所望の品質を提供するようチューニングされてもよい。
【０２１０】
入射電子ビームＥ２は、最初の四重極磁石１６３に達する手前でソレノイド（図示せず）に沿って進んでもよい。ソレノイドは、第２入射器１３１が配置された室１７９の壁（図１０参照）を貫通していてもよい。
【０２１１】
再循環電子ビームＥＩＲは、４つの双極磁石１７０〜１７３を通過する。これら双極磁石１７０〜１７３は、反転可能な極性を有する。つまり、各双極磁石１７０〜１７３によって再循環電子ビームＥＩＲに適用される偏向角度は反転されうる。これは、双極磁石１７０〜１７３を流れる電流方向を切り替え、それにより双極磁石の磁場方向を交換することによって実現される。
【０２１２】
第２入射器１３１が動作中であり第１入射器１３０がオフに切り替えられ（またはスタンバイモードにある）とき、双極磁石１７０〜１７３は、再循環電子ビームＥＩＲが図１１に実線により概略的に示される経路をたどるよう構成されている。つまり、第１双極磁石１７０は再循環電子ビームＥＩＲを右方に曲げ、第２双極磁石１７１は再循環電子ビームＥＩＲを左方に曲げ、第３双極磁石１７２は再循環ビームを右方に曲げる。この例においては、双極磁石１７０〜１７２は、再循環電子ビームＥＩＲを合成双極磁石１７３へと軸線Ａに対し２°程度の角度で搬送する。双極磁石１７０〜１７３は、シケインとして配設されている。シケインは、再循環電子ビームＥＩＲを合成双極磁石１７３へと、再循環電子ビームが合成双極磁石を出るとき軸線Ａに沿って向けられるよう所望の角度で搬送する。
【０２１３】
上述のように、入射電子ビームＥ２および再循環電子ビームＥＩＲの入射角度並びにそれぞれのエネルギーは、合成双極磁石１７３を出るとき軸線Ａに沿って両者が伝搬するようになっている。入射電子ビームＥ２および再循環電子ビームＥＩＲは、四重極磁石１７５を通過して入射器線形加速器１５０へと進む（図１０参照）。
【０２１４】
第２入射器１３１をオフに切り替え第１入射器１３０を使用して電子ビームＥ１を自由電子レーザに提供すること（すなわち第２動作モードと第１動作モードの切替）が望まれうる。その場合、再循環電子ビームＥＩＲに作用する双極磁石１７０〜１７３の極性がすべて切り替えられる。これは、双極磁石１７０〜１７３を流れる電流の方向を切り替えることによって実現されてもよい。再循環電子ビームＥＩＲは、破線により示されるビーム経路をたどる。これは実効的に、第２入射器１３１が使用されていたときの再循環電子ビームＥＩＲがたどる経路の（軸線Ａで反射された）鏡像である。よって、再循環電子ビームＥＩＲは第１双極磁石１７０により左方に曲げられ、第２双極磁石１７１により右方に曲げられ、第３双極磁石１７２により左方に曲げられる。こうして再循環電子ビームは、合成双極磁石１７３へと２°程度の角度で軸線Ａの反対側から搬送される。
【０２１５】
同様に、入射電子ビームＥ１も破線で示される経路をたどる。入射電子ビームＥ１は、２つの双極磁石１８１、１８２および四重極磁石１８３を通過する。これらの磁石は、他方の入射電子ビームＥ２に関連して上述したものと同様にして動作し、入射電子ビームＥ１を合成双極磁石１７３へと１５°程度の角度で軸線Ａの反対側から搬送する。
【０２１６】
入射電子ビームＥ１および再循環電子ビームＥＩＲのエネルギーおよび入射角度は、合成双極磁石１７３がそれら電子ビームに異なる偏向角度を適用し、合成双極磁石を出るとき両者が軸線Ａによって共線的に伝搬するようになっている。
【０２１７】
上記の説明では入射電子ビームＥ１、Ｅ２については１５°程度の入射角度、再循環電子ビームＥＩＲについては２°程度の入射角度に言及している。しかしながら、いかなる適切な角度（例えば、入射電子ビームＥ１、Ｅ２については最大３０°程度の入射角度、再循環電子ビームＥＩＲについては最大４°程度の入射角度）でも使用されうることは理解されよう。上述のように、合成双極磁石１７３によって適用される偏向の程度は電子ビームのエネルギーに反比例する。よって入射器構成１２１を構成するとき、双極磁石１６１、１６２、１７０〜１７３、１８１、１８２の構成は、入射器構成１２１が動作可能であるとき存在する電子ビームエネルギーを使用して選択されてもよい（電子ビームのエネルギーは既知である）。
【０２１８】
図１０を再び参照すると、入射電子ビームＥ２が合流ユニット１３３の上流で再循環電子ビームＥＩＲと交わるようにみえるかもしれない。実際には、電子ビームは交差するのではなく、入射電子ビームＥ２が再循環電子ビームＥＩＲの上方を通る。入射電子ビームＥ２の下方を通過した後の再循環電子ビームＥＩＲを上方へと移動させ両ビームを合流ユニット１３３に進入する前に同一平面で伝搬させるために双極磁石が使用される。入射電子ビームＥ２および再循環電子ビームＥＩＲの平面は、合流ユニット１３３後方での合流した電子ビームＥ、ＥＩＲの平面に一致してもよい。平面は例えば実質的に水平であってもよい。ある代替的な構成においては、合流ユニット１３３の手前で入射電子ビームＥ２が再循環電子ビームＥＩＲの下方を通ってもよい。
【０２１９】
第１入射器１３０から提供された入射電子ビームＥ１が再循環電子ビームＥＩＲと合成される第１動作モードと、第２入射器１３１から提供された入射電子ビームＥ２が再循環電子ビームと合成される第２動作モードとの切替は、コントローラ（図示せず）によって制御されてもよい。コントローラは、プロセッサを備えてもよい。コントローラは、シケインの双極磁石１７０〜１７３の極性を、それら双極磁石に提供される電流の方向を切り替えることによって切り替えてもよい。
【０２２０】
図１２は、ある実施の形態の入射器２３０の概略図である。入射器２３０は、電子銃２３１（電子源とみなされうる）、電子ブースタ２３３、およびステアリングユニット２４０を備える。電子銃２３１は、真空チャンバ２３２内にフォトカソード２４３を支持するよう配設された支持構造２４２を備える。業界において入射器２３０は、入射器２３０における使用のための交換可能部分とみなされうるフォトカソード２４３無しで販売されうると理解されるべきである。
【０２２１】
電子銃２３１は、放射源２３５から放射ビーム２４１を受けるよう構成されている。放射源２３５は例えば、レーザビーム２４１を放出するレーザ２３５を備えてもよい。レーザ２３５はフォトカソード駆動レーザと称されてもよい。レーザビーム２４１は、レーザビーム調整ユニット２３８を通り、窓２３７を通じて真空チャンバ２３２へと向けられる。レーザビーム２４１は、フォトカソード２４３に入射するようミラー２３９で反射される。ミラー２３９は例えば、ミラー２３９の帯電防止のために金属化されグランドに接続されていてもよい。
【０２２２】
レーザビーム調整ユニット２３８、窓２３７、およびミラー２３９はすべて、レーザビーム２４１をフォトカソード２４３のある領域に向けるビーム搬送系の構成要素とみなされてもよい。他のいくつかの実施の形態においては、ビーム搬送系は、レーザビーム調整ユニット２３８、窓２３７、およびミラー２３９よりも多くの、またはそれより少ない構成要素を備えてもよく、その他の光学構成要素を備えてもよい。ビーム搬送系は、レーザビーム２４１をフォトカソード２４３のある領域に向けるのに適切な任意の構成要素を備えてもよい。例えば、いくつかの実施の形態においては、ビーム搬送系は、レーザ２３５によって放出されるレーザビーム２４１がフォトカソード２４３のある領域に向けられるようにレーザ２３５を支持するよう構成された支持部のみから成ってもよい。
【０２２３】
フォトカソード２４３は、電子銃２３２の一部を形成しまたは電子銃２３２から離れていてもよい電圧源（図示せず）を使用することによって高電圧に保持されていてもよい。例えば、フォトカソード２４３は、およそ数百キロボルトの電圧に保持されてもよい。レーザビーム２４１の光子は、フォトカソード２４３によって吸収され、フォトカソード２４３における電子をより高いエネルギー状態に励起してもよい。フォトカソード２４３における一部の電子は、フォトカソード２４３から放出されるよう十分に高いエネルギー状態に励起されてもよい。フォトカソード２４３の高電圧は負であるので、フォトカソード２４３から放出された電子をフォトカソード２４３から遠ざけるよう加速する役割を果たす。それにより、電子ビームＥが形成される。
【０２２４】
上述のように、レーザビーム２４１はパルス化され、それによりレーザビーム２４１のパルスに対応するバンチで電子がフォトカソード２４３から放出されてもよい。したがって、電子ビームＥは、集群された電子ビームである。レーザ２３５は例えば、ピコ秒レーザであってもよく、よってレーザビーム２４１におけるパルスはおよそ数ピコ秒の持続時間を有してもよい。フォトカソード２４３の電圧はＤＣ電圧またはＡＣ電圧であってもよい。フォトカソード２４３の電圧がＡＣ電圧である実施の形態においては、レーザビーム２４１のパルスがフォトカソード２４３の電圧におけるピークに一致するように、フォトカソード電圧の周波数および位相がレーザビーム２４１のパルスに整合されていてもよい。
【０２２５】
自由電子レーザＦＥＬから放出される放射の量は少なくとも一部が、アンジュレータ２４における電子ビームＥのピーク電流に依存する。アンジュレータ２４における電子ビームＥのピーク電流を増やして自由電子レーザＦＥＬから放出される放射の量を増やすために、フォトカソード２４３から放出される電子バンチのピーク電流を増やすことが望まれうる。例えば、フォトカソード２４３が１ミリアンペアを超えるピーク電流を有する電子バンチを放出することが望まれうる。
【０２２６】
フォトカソード２４３によって放出されるレーザビーム２４１からの光子あたりの電子の数は、フォトカソードの量子効率として知られている。大きなピーク電流（例えば１ミリアンペアをより大きいピーク電流）を有する電子ビームＥがフォトカソード２４３からレーザビーム２４１の所与の光子数につき放出されるよう高い量子効率を有する材料をフォトカソード２４３が備えることが望まれうる。フォトカソード２４３は例えば、１種以上のアルカリ金属を備えてもよく、１種以上のアルカリ金属とアンチモンを含む化合物を備えてもよい。例えば、材料膜６３は、アンチモン化ナトリウムカリウムであってもよい。こうしたフォトカソード２４３は例えば、数パーセントの量子効率を有してもよい。例えばフォトカソード２４３は、およそ５％の量子効率を有してもよい（これは高い量子効率であるとみなされうる）。
【０２２７】
真空チャンバ２３２は、電子銃２３１から電子ブースタ２３３を通って延在して、電子ビームＥが進むビーム通路２３４を形成する。ビーム通路２３４は軸線２４５まわりに延在する。電子ビームＥが線形加速器に直接搬送されエネルギー回収が使用されないある実施の形態においては、軸線２４５は、線形加速器２２を通る電子ビームＥの所望の経路に一致してもよく、（上述のように）その軸線まわりにアンジュレータ２４において電子が振動的経路に追従する軸線であってもよい。電子ビームＥが合流ユニットを経由して搬送され再循環電子ビームに加わるある実施の形態においては、軸線２４５は、入射器２３０を出る電子ビームＥの所望の経路に一致してもよい（所望の経路は、電子ビームが双極磁石によって合流ユニットに所望の入射角度で搬送されるようになっている）。
【０２２８】
軸線２４５は、ビーム通路２３４の幾何学的中心及び／またはフォトカソード２４３の幾何学的中心に一致してもよい。代替的な実施の形態においては、軸線２４５は、ビーム通路２３４の幾何学的中心及び／またはフォトカソード２４３の幾何学的中心から離れていてもよい。一般には、軸線２４５は、電子ビームＥがステアリングユニット２４０を通過した後に実質的に一致することが望まれる軸線である。
【０２２９】
フォトカソード２４３から放出された電子バンチにおける電子それぞれは、電子間に働く静電斥力によって反発して互いに離れる。これが空間電荷効果であり、電子バンチを広げる原因でありうる。位置および運動量の位相空間における電子バンチの広がりは、電子ビームＥのエミッタンスにより特徴付けられる。空間電荷効果による電子バンチの広がりは、電子ビームＥのエミッタンスを増加させる。電子ビームＥが線形加速器２２、１２２、１５０およびアンジュレータ２４、１２４（図３および図１０参照）において低いエミッタンスを有することが望まれうるのは、このことが電子からのエネルギーをアンジュレータ２４において放射に変換する効率を高めうるからである。
【０２３０】
電子ビームＥのエミッタンスの増加を制限するために、電子ビームが電子ブースタ２３３において加速される。電子ブースタ２３３における電子バンチの加速は、空間電荷効果に起因する電子バンチの広がりを低減する。電子ビームＥのエミッタンスが空間電荷効果により実質的に増加する前にフォトカソード２４３の近くで（電子ブースタ２３３を使用して）電子ビームＥを加速することが有利である。
【０２３１】
電子ブースタ２３３は例えば、電子バンチをおよそ０．５ＭｅＶを超えるエネルギーに加速してもよい。いくつかの実施の形態においては、電子ブースタ２３３は、およそ５ＭｅＶを超えるエネルギーに電子バンチを加速してもよい。いくつかの実施の形態においては、電子ブースタ２３３は、最大でおよそ１０ＭｅＶのエネルギーに電子バンチを加速してもよい。電子ブースタ２３３は例えば、１０ＭｅＶ程度のエネルギーに電子バンチを加速してもよい。
【０２３２】
いくつかの実施の形態においては、図１２に示されるステアリングユニット２４０の上流とは逆に、電子ブースタ２３３は、ステアリングユニット２４０の下流に位置してもよい。
【０２３３】
電子ブースタ２３３は、上述の線形加速器２２と同様に動作し、例えば、複数の高周波空洞２４７（図１２に示す）と１以上の高周波電源（図示せず）とを備えてもよい。高周波電源は、ビーム通路２３４の軸線２４５に沿って電磁場を制御するよう動作可能であってもよい。電子バンチが空洞２４７間を通ると、高周波電源によって制御された電磁場が各電子バンチに加速を生じさせる。空洞２４７は、超伝導高周波空洞であってもよい。あるいは、空洞２４７は、従来の伝導（すなわち超伝導でない）であってもよく、例えば銅で形成されていてもよい。電子ブースタ２３３は、線形加速器を備えてもよい。
【０２３４】
ある代替的な実施の形態においては、電子ブースタ２３３は例えば、電子ビームＥが集束レーザビームを通過してレーザビームの電場が電子を加速させるレーザ加速器を備えてもよい。また、その他の形式の電子ブースタが使用されてもよい。
【０２３５】
電子ビームＥはビーム通路２３４に沿って進み、（ライナックが使用される場合）合流ユニット３３、１３３へ、または（非エネルギー回収型線形加速器が使用される場合）直接に線形加速器へのどちらかを通る。ビーム通路２３４は真空圧条件へと排気されるがいくらかの残留ガス分子を含みうる。電子ビームＥは残留ガス分子と衝突しガス分子をイオン化して、正の電荷を持つイオンを発生させうる。電子のエネルギーは電子が加速されると増加し、この増加したエネルギーはより多くのイオンを発生させることになる。
【０２３６】
正の電荷を持つイオンは自由電子レーザＦＥＬの全体にわたって、電子ビームＥの経路に影響する。電子ビームＥの負電荷は正電荷イオンに対しポテンシャル井戸として働く。イオンは電子よりも実質的に大きな質量を有し、その結果例えば電子ブースタ２３３の空洞２４７によって加速されない。イオンはビーム通路２３４に沿って拡散し、例えば入射器２３０へと戻りうる。入射器２３０に達するイオンはフォトカソード２４３の電圧によりフォトカソード２４３に引きつけられ、フォトカソード２４３に衝突しうる。
【０２３７】
入射器２３０に戻っていく正イオンは、電子ビームＥの経路に沿って進む。入射器に向かってイオンが進む経路の最終部分は直線的である（例えば、図１１に示す入射器１３０と四重極磁石１８３との間の経路に一致する）。この直線経路は例えば、入射器１３０を含む室の壁を貫通してもよい。直線経路はソレノイド内に位置してもよい。正イオンが進む直線経路は、図１２に示される軸線２４５に一致してもよい。
【０２３８】
フォトカソード２４３とのイオン衝突は、フォトカソード２４３を損傷させうる。とりわけ、イオンのフォトカソード２４３との衝突は、フォトカソード２４３からの材料のスパッタリングの原因となりうる。フォトカソード２４３への損傷は、フォトカソード２４３の量子効率を低下させうるフォトカソード２４３の組成変化の原因となり、従ってフォトカソード２４３から放出される電子ビームＥのピーク電流を減少させうる。それに加えてまたはそれに代えて、イオン衝突によるフォトカソード２４３の損傷は、フォトカソード２４３の表面粗さを増加させうる。フォトカソード２４３の表面粗さの増加は、フォトカソード２４３から放出される電子ビームＥのエミッタンスの増加をもたらし、及び／または、フォトカソード２４３の量子効率の低下をもたらしうる。したがって、フォトカソード２４３とのイオン衝突は時間とともに電子ビームＥのピーク電流を減少させ及び／または電子ビームＥのエミッタンスを増加させうる。
【０２３９】
フォトカソード２４３とのイオン衝突の効果に加えて、レーザビーム２４１は、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域に損傷を与える原因となりうる。イオン衝突の効果と同様に、レーザビーム２４１は、表面粗さの増加及び／またはフォトカソード２４３の組成変化の原因となり、これは、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の量子効率を減少させ当該領域から放出される電子ビームＥのエミッタンスを増加させうる。
【０２４０】
イオン衝突及び／またはレーザビーム２４１によるフォトカソード２４３への損傷は、フォトカソードの有効な寿命を短縮しうる。したがって、フォトカソード２４３への損傷を軽減し、及び／または、フォトカソード２４３から放出される電子ビームＥのピーク電流およびエミッタンスへのフォトカソード２４３の損傷の影響を低減することが望まれうる。これによりフォトカソード２４３の有効な寿命が延長されうる。
【０２４１】
図１３は、軸線２４５に沿って見たときのフォトカソード２４３の概略図である。上述のように、電子ビームＥに起因するポテンシャル井戸のためにイオンは電子ビームＥと整列される。電子ビームＥの経路は一般に入射器２３０からの通過時に軸線２４５と実質的に一致する。したがって、これらのイオンが入射器２３０に進入しフォトカソード２４３と衝突する場合、イオンはフォトカソード２４３が軸線２４５と交わる位置の近くでフォトカソード２４３と衝突する。よって、フォトカソード２４３と衝突するイオンの大半が軸線２４５（フォトカソードの幾何学的中心に一致しうる）を囲む衝突領域２４９（図１３に示す）においてフォトカソード２４３に衝突する。
【０２４２】
衝突領域２４９におけるイオン衝突は、この領域２４９におけるフォトカソード２４３の組成を変更し及び／またはフォトカソード２４３の表面粗さを増加させうる。したがって、衝突領域２４９から放出される電子ビームＥは、衝突領域２４９以外のフォトカソード２４３の領域から放出される電子ビームＥよりも（衝突領域２４９における低下された量子効率のために）ピーク電流が低く及び／またはエミッタンスが高くなりうる。電子ビームＥのピーク電流を増加し及び／またはエミッタンスを低下させるために、レーザビーム２４１は、軸線２４５および衝突領域２４９から離れているフォトカソード２４３のある被照明領域２５１に入射するよう向けられてもよい。例えば、被照明領域２５１は、軸線２４５からおよそ数ミリメートルの距離離れていてもよい。軸線２４５から離れているので被照明領域２５１に衝突するイオンは比較的少ない。したがって、被照明領域２５１の組成および表面粗さは、フォトカソード２４３とのイオン衝突によって実質的に低下されず、故に、高ピーク電流および低エミッタンスをもつ電子ビームＥが被照明領域２５１から放出されうる。
【０２４３】
軸線２４５から離れたフォトカソード２４３の被照明領域２５１に入射するようレーザビーム２４１を向けることによって、被照明領域２５１から放出される電子ビームＥの位置が軸線２４５から位置オフセット２５３だけシフトする。電子ビームＥが軸線２４５から離れた位置でフォトカソード２４３から放出されるとき、フォトカソード２４３に付随する電場は、図１２に示すようにフォトカソードの表面と垂直でない角度２５２で電子ビームＥを放出させうる。例えばフォトカソード２４３の幾何学的中心が軸線２４５に一致する実施の形態においては、実質的に軸線２４５にて放出される電子のみがフォトカソード２４３の表面に垂直な方向に放出される。よって電子ビームＥは、軸線２４５から位置変位２５３および角度変位２５２を有して放出されうる。
【０２４４】
入射器構成に後続する構成要素（例えば合流ユニットまたは線形加速器）は、軸線２４５に実質的に一致する位置および軌道をもつ電子ビームＥを加速するよう構成されている。したがって、電子ビームＥが入射器２３０を出るとき軸線２４５と実質的に一致するように軸線２４５からの位置変位２５３および角度変位２５２を補正するために電子ビームＥの軌道を変更することが望まれうる。
【０２４５】
電子ビームＥを軸線２４５に整列させるために、電子ビームＥは、（図１２に示す）ステアリングユニット２４０によって調整される。ステアリングユニット２４０は、電子ビームＥの軌道がステアリングユニット２４０を出るとき軸線２４５と実質的に一致するように電子ビームＥの軌道を変更するよう構成されている。ステアリングユニット２４０は例えば、ビーム通路２３４における磁場を発生させるよう構成された１つ又は複数の電磁石を備えてもよい。磁場は、電子ビームＥの軌道を変更するよう働く力を電子ビームＥに及ぼしうる。図１２に示される実施の形態においては、電子ビーム軌道は、電子が軸線２４５に実質的に一致するまでステアリングユニット２４０によって変更されている。
【０２４６】
ステアリングユニットが１つ又は複数の電磁石を備える実施の形態においては、電磁石は、電子ビームＥに力を与えるよう構成された双極磁場、四重極磁場、六重極磁場、及び／または任意の多重極磁場構成の１つ又は複数を形成するよう配設されていてもよい。ステアリングユニット２４０は、それとともにまたはそれに代えて、電子ビームＥに力が与えられるようビーム通路２３４において電場を作り出すよう構成された１つ又は複数の帯電プレートを備えてもよい。一般には、ステアリングユニット２４０は、電子が軸線２４５に一致するように軌道を変更する力を電子ビームＥに与えるよう動作可能である任意の装置を備えてもよい。
【０２４７】
ステアリングユニット２４０を通過するいかなるイオンの質量対電荷比は、電子ビームＥにおける電子の質量対電荷比よりもかなり大きい。したがって、ステアリングユニット２４０は、ステアリングユニット２４０を通ってフォトカソード２４３へと向かうイオン進路の位置または方向を実質的に調整しない。入射器２３０へと（例えば線形加速器２２から）通るイオンは、入射器２３０において電子ビームＥによって作り出されるポテンシャル井戸が入射器２３０におけるイオンの経路を実質的に変更しない程度に十分な運動量を有しうる。このことがイオンの経路（軸線２４５に実質的に一致しうる）を入射器２３０において電子ビームＥから分離する効果を持ち、フォトカソード２４３上の衝突領域２４９の位置を、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域２５１から隔てることを可能にする。これにより、電子ビームＥが放出されるフォトカソード２４３の被照明領域２５１がイオン衝突により損傷を受けやすい衝突領域２４９から分離されることが保証される。これは、フォトカソード２４３とのイオン衝突が実質的に電子ビームＥのピーク電流を減少させまたはエミッタンスを増加させないことを保証しうる。
【０２４８】
しかしながら上述のように、フォトカソード２４３に入射するレーザビーム２４１は、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域を時間とともに損傷し、フォトカソード２４３から放出される電子ビームＥのピーク電流を減少させ及び／またはエミッタンスを増加させうる。レーザビーム２４１によって照明されるレーザビーム２４１の領域２５１でのレーザビーム２４１に起因する損傷に加えて、被照明領域２５１は、ガス分子とステアリングユニット２４０をまだ通過していない電子との衝突によって入射器２３０において作り出されるイオンによっても損傷されうる。ステアリングユニット２４０の手前で作り出されるイオンは、ステアリングユニット２４０の手前で電子ビームＥの経路に引き寄せられ、従って電子ビームＥの経路に沿って拡散して、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域２５１に衝突しうる。しかしながら、一般には入射器２３０において作り出されるイオンは入射器の下流位置に比べて少ないので、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域２５１へのイオン損傷は、衝突領域２４９へのイオン損傷ほど顕著ではない。
【０２４９】
フォトカソード２４３の有効な寿命を延ばすために、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域２５１が変更されてもよい。例えば、レーザビームが被照明領域２５１に入射中のある時間経過後に、被照明領域２５１が損傷を受けたかもしれないときに、フォトカソード上のレーザビーム２４１の位置が（図１３に示すように）新たな被照明領域２５１’に変更されてもよい。レーザビーム２４１は、新たな被照明領域２５１’が損傷されるまでのある時間さらに、その新たな被照明領域２５１’に入射してもよい。レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域は、更に新たな被照明領域（図示せず）へとその後再び変更されてもよい。レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の位置は、以前に照明されず損傷されていないフォトカソード２４３の新たな領域を照明するようフォトカソード２４３上をレーザビーム２４１で走査することによって、反復的に変更されてもよい。
【０２５０】
これは、フォトカソード２４３の大きな領域がフォトカソード２４３の寿命にわたり電子ビームＥを放出するよう使用されることを可能としうるので、フォトカソード２４３の総有効寿命を延長しうる。レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域を変更することは例えば、フォトカソード２４３の有効な寿命を１０倍以上に延ばすことを可能にしうる。
【０２５１】
レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域は、連続的に変更されてもよいし、または段階的に変更されてもよい。レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域が段階的に変更されるある実施の形態においては、段階が定期的に生じてもよい。ある代替的な実施の形態においては、段階が非定期的に生じてもよい。
【０２５２】
レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域は例えば、（図１２に示される）レーザビーム調整ユニット２３８によって変更されてもよい。レーザビーム調整ユニット２３８は、レーザビーム２４１の１つ又は複数の特性を変更するのに適切な１つ又は複数のミラー、レンズ、またはその他の光学部材を備えてもよい。例えば、レーザビーム調整ユニット２３８は、レーザビーム２４１がミラー２３９に入射する位置およびレーザビーム２４１がフォトカソード２４３に入射する位置を変更するようにレーザビーム２４１の伝搬方向を変更してもよい。
【０２５３】
ある代替的な実施の形態においては、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域は、ミラー２３９の位置及び／または向きを変えることによって変更されてもよい。例えば、ミラー２３９は、レーザビーム２４１がミラー２３９から反射される方向を変えるために傾斜及び／または移動され、それによりレーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域が変更されてもよい。ミラー２３９の位置及び／または向きは、ミラー２３９の位置及び／または向きを変更するよう動作可能なアクチュエータ（図示せず）を使用して変更されてもよい。
【０２５４】
更なる代替的な実施の形態においては、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域は、レーザ２３５の位置及び／または向きを変えることによって変更されてもよい。例えば、レーザ２３５は、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域を変更するために傾斜及び／または移動されてもよい。レーザ２３５の位置及び／または向きは、レーザの位置及び／または向きを変更するよう動作可能なアクチュエータ（図示せず）によって変更されてもよい。
【０２５５】
更なる代替的な実施の形態においては、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域は、フォトカソード２４３の位置及び／または向きを変えることによって変更されてもよい。例えば、フォトカソード２４３は、レーザビーム２４１の位置を一定とするとともにレーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域がフォトカソード２４３上で回転するように回転されてもよい。あるいは、フォトカソード２４３およびレーザビーム２４１の双方の位置及び／または向きがレーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域を変更するために変えられてもよい。
【０２５６】
フォトカソード２４３の位置及び／または向きは、アクチュエータ（図示せず）によって変更されてもよい。例えば、支持構造２４２は、フォトカソード２４３の位置及び／または向きを変更するよう動作可能なアクチュエータを備えてもよい。
【０２５７】
レーザビーム調整ユニット２３８、ミラー２３９の位置及び／または向きを変更するよう動作可能なアクチュエータ、レーザ２３５の位置及び／または向きを変更するよう動作可能なアクチュエータ、およびフォトカソード２４３の位置及び／または向きを変更するよう動作可能なアクチュエータはすべて、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域を変更するよう動作可能な調整機構の例である。その他の調整機構を本発明の範囲から逸脱することなくレーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域を変更するために使用しうることは理解されよう。各調整機構は、別々に使用されてもよいし、または、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域を変更するための他の１つ又は複数の調整機構と組み合わせて使用されてもよい。
【０２５８】
レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域は、軸線２４５からの電子ビームＥの角度変位２５２および位置変位２５３を決定しうる。よって、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の変更は、軸線２４５からの角度変位及び／または位置変位に対応する変化をもたらしうる。レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の変更に応じて、ステアリングユニット２４０は、電子ビームＥの軌道がその調整された角度変位および位置変位から偏向されるように電子ビームＥに与える力を調整し、電子ビームＥが調整後に引き続き軸線２４５と一致するようにしてもよい。したがってステアリングユニット２４０は、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域に応じて電子ビームＥに与える力を調整するよう動作可能であってもよい。
【０２５９】
ステアリングユニット２４０が１つ又は複数の電磁石を備えるある実施の形態においては、ステアリングユニット２４０は、それら１つ又は複数の電磁石のコイルを流れる１つ又は複数の電流を調整してもよい。１つ又は複数の電流の調整は、ステアリングユニット２４０によって発生する磁場を変化させるので、ステアリングユニット２４０によって電子ビームＥに与えられる力が変わりうる。
【０２６０】
ある代替的な実施の形態においては、ステアリングユニット２４０は、機械的に移動可能であってもよい。例えば、ステアリングユニット２４０は、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の変更に応じて電子ビームＥに与える力を調整するために傾斜され、回転され、及び／または変位されてもよい。
【０２６１】
ステアリングユニット２４０は、（図１２に示される）コントローラ２３６によって制御されてもよい。コントローラ２３６は、それとともにまたはそれに代えて、レーザビーム調整ユニット２３８を制御してもよい。コントローラ２３６は例えば、プログラマブルロジックコントローラであってもよい。コントローラ２３６は、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域をレーザビーム調整ユニット２３８に変更させてもよい。また、コントローラ２３６は、電子ビームＥが調整後に軸線２４５と一致し続けるように、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の変更に応じて電子ビームＥに与える力をステアリングユニット２４０に調整させてもよい。ステアリングユニット２４０は例えば、ステアリングユニット２４０の１つ又は複数の電磁石を流れる１つ又は複数の電流を調整することによって電子ビームＥに与える力を調整してもよい。
【０２６２】
ある代替的な実施の形態においては、コントローラ２３６は、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域を変更させるために、レーザ２３５、ミラー２３９、およびフォトカソード２４３の１つ又は複数を制御してもよい。一般には、コントローラ２３６は、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域を変更するよう動作可能な任意の調整機構を制御してもよい。
【０２６３】
いくつかの実施の形態においては、ステアリングユニット２４０は、電子ビームＥの測定結果に応じて電子ビームに力を与えてもよい。例えば、電子ビーム測定装置（図示せず）が電子ビームＥの近傍に配置され、電子ビームＥの位置を測定してもよい。ステアリングユニット２４０は、電子が軸線２４５に一致するように電子ビームＥへの力を演算し与えるよう電子ビームＥの測定結果を使用してもよい。レーザビーム２４１が入射するフォトカソードの領域に変更がなされると、電子ビーム測定装置によって測定されうる電子ビームＥの位置に変化が生じうる。電子ビーム測定装置は、電子ビームの位置変化をステアリングユニット２４０に通信してもよい。ステアリングユニット２４０は、ステアリングユニットにより与えられる力が軸線２４５に電子が一致するように電子ビームＥの軌道を変えるように、電子ビームＥの位置変化に応じて電子ビームＥに与える力を調整してもよい。
【０２６４】
ある実施の形態においては、レーザビーム測定装置およびコントローラ２３６は、組み合わせて使用されてもよい。こうした実施の形態においては、レーザビーム測定装置は、コントローラ２３６と通信してもよい。
【０２６５】
いくつかの実施の形態においては、ステアリングユニット２４０は、電子ビームＥに与える力を、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の変更に応じて調整しなくてもよい。例えば、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域がレーザビーム２４１の位置を一定としつつフォトカソード２４３を回転させることによって変更されるある実施の形態においては、軸線２４５からの電子ビームＥの位置変位２５３および角度変位２５２が変化しない。こうした実施の形態においては、電子ビームＥの軌道は、ステアリングユニット２４０によって電子ビームＥに与えられる力の調整無しで軸線２４５に一致するように、ステアリングユニット２４０によって変えられ続けてもよい。
【０２６６】
いくつかの実施の形態においては、電子銃２３１の位置及び／または向きは、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の変更に応じて調整されてもよい。例えば、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の変更に応じて、電子銃２３１の位置及び／または向きは、電子銃２３１を出る電子の軌道がレーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の変更前の電子の軌道と実質的に同じであるように調整されてもよい。こうした実施の形態においては、ステアリングユニット２４０によって電子ビームＥに与えられる力は、実質的に一定に保たれていてもよい。あるいは、電子銃２３１の位置及び／または向きとステアリングユニット２４０によって電子ビームＥに与えられる力の両方が、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の変更に応じて調整されてもよい。
【０２６７】
電子銃２３１の位置及び／または向きは、電子銃２３１の位置及び／または向きを変化させるよう動作可能なアクチュエータ（図示せず）を使用して調整されてもよい。いくつかの実施の形態においては、電子ブースタ２３３の位置及び／または向きは、電子銃２３１の位置及び／または向きの調整とともに（アクチュエータを使用して）調整されてもよい。
【０２６８】
いくつかの実施の形態においては、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域は、レーザビーム２４１がフォトカソード２４３を横断走査するようにして変更されてもよい。レーザビーム２４１は、フォトカソード２４３の実質的に全体にわたって走査してもよい。あるいは、レーザビーム２４１は、衝突領域２４９を除くフォトカソード２４３の実質的に全体にわたって走査してもよい。
【０２６９】
他の実施の形態においては、レーザビーム２４１は、フォトカソード２４３の一部分を走査するのみであってもよい。例えば、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域は、フォトカソード２４３の内側部分２５５（図１３に示す）の内部にとどまっていてもよい。内側部分２５５は、軸線２４５から距離Ｒ内にあるフォトカソード２４３の一部分に相当してもよい。距離Ｒは、電子が軸線２４５に一致するよう電子ビームＥの軌道を調整する力を与えるようステアリングユニット２４０が動作可能でありうる軸線２４５からの電子ビームＥの最大位置変位２５３を表してもよい。例えば、内側部分２５５の外側の領域から放出される電子ビームＥは、ステアリングユニット２４０への到達前に電子ビームＥがビーム通路２３４の外縁に衝突しうる程度に軸線２４５から遠く変位されうる。あるいは、電子ビームＥは、電子が軸線２４５に一致するようステアリングユニット２４０が電子ビームＥの軌道を変えるには軸線２４５から離れすぎている変位量でステアリングユニット２４０に到達してもよい。
【０２７０】
入射器２３０を出る電子バンチがある特定の形状および電荷分布を有することが望まれうる。例えば、電子バンチが円形断面を有し長さ方向に均一な電荷密度を有することが望まれうる。しかしながら、ステアリングユニット２４０によって電子ビームＥに与えられる力は、電子ビームＥの軌道を変えるだけでなく、電子ビームＥのバンチの形状及び／または電荷分布も変化させうる。例えば、ステアリングユニット２４０は、ある特定の方向に電子バンチＥを圧縮または伸長しうる。
【０２７１】
ステアリングユニット２４０に起因する電子バンチの形状及び／または電荷分布における何らかの変化の影響を軽減するために、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の形状は、所望の形状及び／または電荷分布をステアリングユニット２４０の通過後に有する電子バンチを生み出すよう制御されてもよい。例えば、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域は、楕円断面を有する電子バンチがフォトカソード２４３から放出されるように楕円形状を有してもよい。次いで電子バンチはステアリングユニット２４０によって電子バンチの楕円断面の長半径に沿って圧縮され、電子バンチは入射器２３０を出るとき円形断面を有するよう圧縮されてもよい。
【０２７２】
一般には、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の形状は、被照明領域から放出される電子ビームがステアリングユニット２４０の電子ビームへの力の適用後に１つ又は複数の所望の特性を得るように制御されてもよい。１つ又は複数の所望の特性は例えば、電子ビームの電子バンチのある特定の形状及び／または電荷分布であってもよい。
【０２７３】
ステアリングユニット２４０によって電子ビームＥに与えられる力は、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の異なる領域それぞれに異なっていてもよい。よって、ステアリングユニット２４０による電子バンチの形状及び／または電荷分布における何らかの変化は、フォトカソード２４３の異なる領域それぞれから放出される電子バンチにつき異なっていてもよい。例えば、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域が軸線２４５から離れるよう移動する場合、ステアリングユニット２４０は、電子Ｅに与える力を増加してもよい。これにより、ステアリングユニット２４０に起因する電子ビームＥにおける電子バンチの形状及び／または電荷分布の変化が増加されうる。
【０２７４】
フォトカソード２４３の異なる領域それぞれから放出される電子バンチの形状及び／または電荷分布の異なる変化に適応するために、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の形状は、フォトカソード２４３上のレーザビーム２４１の異なる位置について調整されてもよい。例えば、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域が軸線２４５から離れるよう移動する場合、フォトカソード２４３の楕円形状の被照明領域の離心率が増加されてもよい。これにより、ステアリングユニット２４０において電子バンチの形状がより大きく圧縮されることを見込んでフォトカソード２４３から放出される電子バンチの断面形状の離心率が増加されうる。これは、ステアリングユニット２４０を出る電子バンチが所望の形状及び／または電荷分布を有することを保証しうる。
【０２７５】
レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の形状は、レーザビーム調整ユニット２３８によって制御されてもよい。例えば、レーザビーム調整ユニット２３８は、レーザビーム２４１が入射するフォトカソードの領域の形状が所望の特性（例えば所望の形状及び／または電荷分布）をもつ電子バンチを放出させるよう制御されるように、レーザビーム２４１の形状を制御してもよい。フォトカソード２４３から放出される電子バンチの所望の特性は、ステアリングユニット２４０において生じると予想される電子バンチの特性における変化を考慮に入れてもよい。フォトカソード２４３から放出される電子バンチの所望の特性は、電子バンチが放出されるフォトカソード２４３の異なる領域それぞれについて異なっていてもよい。
【０２７６】
それとともにまたはそれに代えて、レーザビーム２４１によって照明されるフォトカソード２４３の領域の形状は、ミラー２３９の位置及び／または向きを変更するよう動作可能なアクチュエータを制御することによって制御されてもよい。
【０２７７】
上述のように、被照明領域２５１を衝突領域２４９から隔てることによって、電子ビームＥは、イオン衝突をより少なく受けるフォトカソードの領域から放出され、従ってイオン衝突に起因する損傷をより受けにくくなる。これにより、高ピーク電流および低エミッタンスを有する電子ビームがフォトカソード２４３から放出されうる時間が延長され、従ってフォトカソード２４３の有効な寿命が延長されうる。
【０２７８】
しかしながら、衝突領域２４９の外側のフォトカソード２４３の領域はそれでも、衝突領域２４９におけるイオン衝突に影響されうる。イオン衝突が衝突領域２４９におけるフォトカソード２４３からの材料スパッタリングの原因となりうるからである。衝突領域２４９からスパッタされる材料の一部はフォトカソード２４３に戻り、衝突領域２４９の外側のフォトカソード２４３の領域に堆積しうる。スパッタされた材料は例えば、堆積領域２５４の内側に堆積しうる。堆積領域２５４は例えば、図１３に示されるように、被照明領域２５１、２５１’と重なりうる。
【０２７９】
フォトカソード２４３の堆積領域２５４に堆積するスパッタされた材料は、フォトカソード２４３の堆積領域２５４の全体または一部の化学組成を変化させうる。これは、堆積領域２５４の全体または一部の量子効率を低下させる原因となりうる。例えば、被照明領域２５１の全体または一部の量子効率は、堆積するスパッタされた材料によって低下しうる。レーザビーム２４１の出力が被照明領域２５１の全体または一部の量子効率低下に応じて増加されなければ、被照明領域２５１から放出される電子ビームＥのピーク電流は減少する。
【０２８０】
スパッタされた材料は、フォトカソード２４３上に不均一に堆積しうる。例えば、衝突領域２４９に近いフォトカソード２４３の領域ほど、衝突領域２４９から遠い領域に比べて、多くのスパッタされた材料が堆積しうる。これは例えば、フォトカソード２４３に量子効率の半径方向勾配を生じさせうる。
【０２８１】
フォトカソード２４３の量子効率の半径方向勾配は、フォトカソード２４３から放出される電子バンチの不均一な電荷分布の原因となりうる。例えば、被照明領域２５１の量子効率は、衝突領域２４９から遠い被照明領域２５１の一部分において、衝突領域２４９に近い被照明領域２５１の一部分に比べて、より大きくなりうる。レーザビーム２４１のパルスが被照明領域２５１に入射するとき、より高い量子効率を有する被照明領域２５１の一部分からは、より低い量子効率を有する一部分に比べて、より多くの電子が放出される。したがって、電子バンチは不均一な電荷分布を有して放出される。これが不利であるのは、電子バンチからのエネルギーがアンジュレータ２４において放射に変換される効率が不均一な電荷分布をもつ電子バンチについては低下しうるからである。
【０２８２】
また、フォトカソード２４３上に堆積するスパッタされた材料に起因するフォトカソード２４３の量子効率の不均一分布は、フォトカソード２４３から放出される電子ビームＥの電流に不安定性を生じさせうる。電流不安定性は、本来的に不規則であり、高い周波数を有しうる。こうした電流不安定性は、予測することが難しく、例えばレーザビーム２４１の出力を変調することによって補正することも難しい。
【０２８３】
フォトカソード２４３からの材料スパッタリングを生じさせることに加えて、フォトカソード２４３と衝突するイオンは、それらのエネルギーの一部をフォトカソード２４３に熱エネルギーの形で伝達しうる。これはフォトカソード２４３の領域を加熱する原因となりうる。フォトカソード２４３の加熱は、フォトカソード２４３からの熱電子放出の原因となりうる。フォトカソード２４３からの熱電子放出は、レーザビーム２４１のパルス中にもレーザビーム２４１のパルス間の時間にも生じうる。こうしてフォトカソード２４３がレーザビーム２４１によって照明されていない期間に電子が放出されうる。フォトカソード２４３がレーザビーム２４１によって照明されていない期間に放出される電子は、暗電流と称されるフォトカソード２４３からの電子流れの原因となる。
【０２８４】
暗電流の電子は、電子ブースタ２３３または線形加速器２２、１２２、１５０において高周波数で反転する電磁場と同期されていない。よって暗電流電子は、電子ブースタ２３３及び／または線形加速器２２、１２２、１５０に到達する時点で広範囲のエネルギーをとりうる。暗電流電子の広範囲のエネルギーが意味するのは、自由電子レーザＦＥＬにおいて電子を方向付けまたは集束するよう設計されうる自由電子レーザＦＥＬの要素が暗電流電子の様々な影響を受けうるということである。よって、暗電流電子は、制御困難な迷走電子となりうる。
【０２８５】
迷走暗電流電子は、自由電子レーザＦＥＬの要素と衝突し、自由電子レーザＦＥＬの要素に損傷を生じさせうる。例えば、暗電流電子は、アンジュレータ２４、１２４の磁気的構成要素と衝突しうる。これはアンジュレータの減磁を生じさせ、アンジュレータの有効な寿命を短縮しうる。また、電子は、ビーム通路２３４の外縁などの自由電子レーザのその他の構成要素と衝突し、ビーム通路２３４に放射能を生じさせうる。
【０２８６】
上述のように、フォトカソード２４３とのイオン衝突は、フォトカソード２４３からの材料スパッタリング、及び／または、フォトカソード２４３からの暗電流放出の増加をもたらすフォトカソード２４３の加熱を生じさせうる。これら双方の効果は上述のように自由電子レーザに不利な結果を有しうる。したがって、フォトカソード２４３とのイオン衝突に際してのフォトカソード２４３からの材料スパッタリングを低減または緩和し及び／またはフォトカソード２４３の加熱を低減するフォトカソード２４３を提供することが望まれる。
【０２８７】
図１４は、本発明のある実施の形態に係るフォトカソードの概略図である。図１４は、フォトカソード２４３の断面である（上方から見るとき図１３に示す形を有しうる）。フォトカソード２４３は、材料膜２６３が成膜された基板２６１を備える。基板は例えば、シリコン、モリブデン、ステンレス鋼、またはその他の適切な材料を備える。基板２６１は、基板２６１への材料膜２６３の成膜をより良好に促進するために研磨されていてもよい。
【０２８８】
材料膜２６３は、高い量子効率を有する材料を備えてもよい。材料膜２６３は例えば、数パーセントの量子効率を有してもよい。例えば、材料膜２６３は、およそ５％の量子効率を有してもよい（これは高い量子効率であるとみなされうる）。材料膜２６３は、レーザビーム２４１が入射し電子ビームＥが放出される表面２６４を有する。表面２６４は、電子放出面と称されてもよい。
【０２８９】
材料膜２６３は、１種以上のアルカリ金属を備える材料であってもよい。材料膜２６３は、１種以上のアルカリ金属とアンチモンとを備える化合物であってもよい。例えば、材料膜２６３は、アンチモン化ナトリウムカリウムを備えてもよい。材料膜２６３の複数の成分は基板２６１上に個別的に成膜されてもよい。例えば、材料膜２６３がアンチモン化ナトリウムカリウムを備えるある実施の形態においては、最初にアンチモン化物、続いてカリウム、それからナトリウムが基板上に成膜されてもよい。材料膜２６３は、原子蒸着（atomic vapour deposition）によって基板２６１上に成膜されてもよい。基板２６１は、成膜プロセス中に加熱されてもよい。
【０２９０】
材料膜２６３の厚さ２６７は、１ミクロンより顕著に小さくてもよい。例えば、材料膜２６３の厚さ２６７は、およそ数十ナノメートルであってもよい。基板２６１の厚さ２６９は、およそ数ミリメートルであってもよい。例えば、基板２６１の厚さ２６９は、１から１０ミリメートルの間であってもよい。
【０２９１】
あるいは、フォトカソード２４３は、レーザビーム２４１によって照明されるとき電子を放出するよう構成された材料を備える基板２６１から形成されてもよい。こうしたフォトカソード２４３は、基板２６１に成膜される材料膜２６３を有しなくてもよい。代わりに電子放出面２６４は基板２６１の表面であってもよい。例えば、フォトカソード２４３は、電子放出面を含む銅基板２６１を備えてもよい。しかしながら、例えば１種以上のアルカリ金属を備える材料膜と比べて、銅は比較的低い量子効率を有しうる。よって、こうしたフォトカソードは、高い量子効率をもつ材料を備えるフォトカソードが自由電子レーザにおいて有利であるところ、自由電子レーザにおける使用に適切でないかもしれない。
【０２９２】
フォトカソード２４３とのイオン衝突の効果を低減するために、空洞２６５が基板２６１内に形成されている。空洞２６５は、衝突領域２４９と実質的に整列されていてもよい。例えば、空洞２６５は、図１４に示されるように、衝突領域２４９の実質的に直下に位置してもよい。空洞２６５は、図１４に示されるように、衝突領域２４９の大きさを超えて半径方向に拡張されていてもよい。しかしながら、衝突領域２４９は、良好に定義された領域ではなく、単にイオンが衝突しうるフォトカソード２４３の領域を表している。一般には、空洞２６５は、イオンが空洞２６５へと通過しうるように、イオンが衝突するフォトカソード２４３の領域と実質的に整列されていてもよい。空洞は、入射器２３０（図１２参照）の軸線２４５と実質的に整列されていてもよい。入射器の軸線は、入射器２３０を出る電子ビームＥの所望の経路に一致していてもよい。
【０２９３】
空洞２６５は、厚さ２６６を有する基板２６１の薄層によって材料膜２６３から分離されている。これは、材料膜２６３が成膜されうる平滑面を有する基板２６１の層を残しつつ材料膜２６３にごく近接して空洞２６５を配置することを可能にしうる。材料膜２６３と空洞２６５を分離する基板２６１の薄層は例えば、およそ０．１ミクロンからおよそ１０ミクロンの間の厚さ２６６を有してもよい。
【０２９４】
フォトカソードと衝突するイオンは、フォトカソード内のある特定の深さで停止される前にフォトカソードの上層を通過する。イオンは、フォトカソードによって停止される前に通過するフォトカソードの部分とは顕著に相互作用をしない。したがって、衝突するイオンに起因する損傷の大半は、イオンがフォトカソードによって停止される深さまたはその近傍となるフォトカソード内の深さで生じる。
【０２９５】
よって、フォトカソード２４３と衝突するイオンは、材料膜２６３を通り、基板２６１の薄層を通って空洞２６５へと停止されることなく進みうる。材料膜２６３およびイオンが通る基板２６１の部分は、イオンを部分的に減速するよう働きうるが、この減速はイオンを停止させるには十分ではない。一度イオンが空洞２６５内に行けば減速させる基板材料が存在しないから、さらに実質的に減速されることなく空洞２６５を通過しうる。したがって、イオンは、空洞２６５の反対側（すなわちイオンが進入した側と反対側）から空洞２６５下方の基板材料へと通る。基板材料はイオンを更に減速させイオンを停止させる役割を果たしうる。こうして、イオンが停止される位置は、イオンが空洞２６５下方の基板材料によって減速され停止される前に空洞２６５を通過するから、空洞２６５の下方となりうる。よって、空洞２６５は、フォトカソード２６１においてイオンが停止される位置を、フォトカソード２４３の電子放出面２６４から離れたフォトカソード２４３内のより深いところへとシフトする効果を有する。
【０２９６】
ある代替的な実施の形態においては、空洞２６５は、周囲または他の材料に空洞２６５が開放されるよう基板２６１の背面まで延びていてもよい。こうした実施の形態においては、イオンは、イオンに起因する損傷がフォトカソード２４３の外部で生じるように空洞２６５を通り抜けてフォトカソード２４３から出てもよい。
【０２９７】
フォトカソード２４３においてイオンが停止される深さを増すことによって、フォトカソード２４３の電子放出面２６４での材料スパッタリングは、より少なくなりうる。フォトカソード２４３におけるイオンの停止深さの増加は、エネルギーがイオンからフォトカソード２４３へと熱エネルギーの形で伝達される深さを増加しうる。これは、フォトカソード２４３の電子放出面２６４の近くでのフォトカソード２４３の加熱を小さくするので、フォトカソード２４３の電子放出面２６４からの熱電子放出が低減され、それにより自由電子レーザＦＥＬにおける暗電流が低減される。加えて、空洞２６５は、表面２６４の近傍で基板２６１に保持されうるイオンの量を減らし、そうでない場合に生じうる表面２６４のブリスタリングを軽減しうる。
【０２９８】
本発明の背後にある原理は、図１５を参照してさらに理解されうる。図１５は、５００ｋｅＶのエネルギーをもつ正の水素イオンがシリコン基板と衝突するシミュレーション結果を表示する。５００ｋｅＶのエネルギーは、自由電子レーザにおけるイオンのエネルギーにおおよそ相当しうる。各点は、水素イオンがシリコン基板によって基板内で停止した位置を表す。図１５において理解されるように、イオンの大半はシリコンターゲット内でおよそ４ミクロンより大きい深さで停止される。上述のように材料膜２６３は１ミクロンよりかなり小さい厚さ２６７を有しうる。よってイオンの大半は材料膜２６３で停止されずに通過する。
【０２９９】
図１５に示される結果が表すのは、基板２６１がシリコンを備え、空洞２６５を材料層２６３から分離する基板２６１の薄層がおよそ４ミクロンより小さい厚さ２６６を有するある実施の形態においては、イオンの大半が基板の薄層を通じて空洞２６５内へと通り抜けるということである。空洞２６５内へと通るイオンは、実質的に減速されずに空洞２６５のもう一方の側から出る。よってイオンは、空洞を越えたところの基板材料内へと入るまで停止されない。
【０３００】
基板２６１の材料が異なりイオンが異なるエネルギーを有する場合、図１５に示されるのとは異なる基板内の位置で停止されうることが理解されよう。したがって、フォトカソード２４３の寸法および空洞２６５の構成は、フォトカソード２４３の材料およびフォトカソード２４３の意図される使用法に依存して選択されてもよい。
【０３０１】
一般には、基板２６１内の空洞２６５は、表面２６４と空洞２６５との間に配置されたフォトカソード２４３の一部分の厚さが、フォトカソード２４３の当該一部分に入射するイオンの大半がフォトカソード２４３の当該一部分を通じて空洞２６５内へと通り抜けるよう十分に薄くなるように、配置されていてもよい。表面２６４と空洞２６５との間に配置されたフォトカソードの当該一部分の厚さは例えば、およそ１０ミクロンより小さくてもよく、およそ５ミクロンより小さくてもよい。
【０３０２】
動作時に、フォトカソード２４３は、フォトカソード２４３の電圧に付随する電場から生じる静電圧力にさらされうる。フォトカソード２４３の電圧に付随する電場は例えば、およそ１０ＭＶｍ−１の電界強度を有しうる。これは、およそ１０００パスカルの静電圧力にフォトカソード２４３がさらされる原因となりうる。
【０３０３】
図１６は、図１４に示されるのと同じフォトカソード２４３の断面についてフォトカソードに静電圧力が与えられるときの概略図である。フォトカソード２４３への静電圧力の方向が矢印２７２により示されている。空洞２６５は、フォトカソード２４３を空洞２６５の領域において構造的に弱めうる。例えば、空洞２６５の直上にあるフォトカソード２４３の薄層は、課される静電圧力を抑えるほど十分に強くないかもしれない。これにより、フォトカソード２４３の領域２７３には静電圧力下で変形が生じうる。
【０３０４】
フォトカソード２４３の変形は、変形領域２７３における電場の変更の原因となりうる。フォトカソード２４３のまわりの電場の方向は、図１６において矢印２７１により示されている。変形領域２７３における電場の方向は、フォトカソード２４３の変形によって変えられている。とくに、電場２７１は、変形領域２７３において収束されている。これが不利でありうるのは、フォトカソード２４３から放出される電子バンチのエミッタンスおよび軌道を変化させうるからである。したがって、静電圧力に起因するフォトカソード２４３の変形を低減し、及び／または、フォトカソード２４３の周囲の電場へのフォトカソード２４３の変形の影響を低減または緩和することが有利でありうる。
【０３０５】
図１７ａは、電圧がフォトカソード２４３に印加される前のフォトカソード２４３の概略図である。フォトカソード２４３に電圧が印加されていないから、フォトカソードはまったく静電圧力にさらされていない。図１７ａに示されるように、フォトカソード２４３は、電圧がフォトカソード２４３に印加されるとき静電圧力下で変形されることを見込んで成形されている。つまりフォトカソード２４３は、静電圧力下での変形後に所望の形状をとるよう構成されている。とくに、基板２６１は、空洞２６５の上方の領域に窪み２７５を備えるよう成形されている。
【０３０６】
任意選択として、空洞２６５は、さらされる静電圧力を見込んだ形状を有してもよい。例えば、空洞２６５は、図１７ａに示されるように、面取り２７６を含むよう成形されていてもよい。面取り２７６は、空洞２６５の角部を囲む基板２６１の領域における応力を軽減するよう働く。これにより、フォトカソード２４３に与えられる静電圧力の結果としてこれらの領域において基板内に成長するクラックの可能性が低減されうる。
【０３０７】
図１７ｂは、電圧がフォトカソード２４３に印加されているときの図１７ａに示したのと同じフォトカソード２４３の概略図である。フォトカソード２４３に課される静電圧力２７２は、予め窪みが付けられた基板２６１の領域２７５の変形を生じさせる。予め窪み付けられた領域２７５の変形後にはもはや窪みは存在せず、基板２６１の上面は実質的に平坦である。予め窪み付けられた領域２７５の変形後は電場方向２７１は実質的に一様であり、よってフォトカソード２４３から放出される電子バンチは空洞２６５の存在による影響を実質的に受けなくなりうる。
【０３０８】
図１７ａおよび図１７ｂに示されるフォトカソード２４３は純粋にフォトカソード２４３のある実施の形態の例である。フォトカソード２４３に及ぼされうる静電圧力を見込んで異なる形状および構成をもつ他のフォトカソード２４３もありうることが理解されよう。フォトカソード２４３の具体的な形状および構成は、フォトカソード２４３を形成する材料およびフォトカソード２４３の意図される動作条件など諸事情に依存しうる。
【０３０９】
あるいは、フォトカソード２４３は、静電圧力がフォトカソード２４３を実質的に変形させないよう静電圧力に抗するよう構成されていてもよい。例えば、空洞２６５の領域における基板２６１および材料膜２６３は、動作時にフォトカソード２４３に印加されると予想される静電圧力に耐えるよう実質的に剛であってもよい。
【０３１０】
フォトカソード２４３を強化するために、補強リブが基板２６１に追加されてもよい。補強リブは、静電圧力のもとで変形に抵抗するよう役立ちうる。図１８は、補強リブ２７７を備える基板２６１の一部分の平面図である。補強リブ２７７は、ハニカム構造に配設されており、基板２６１を強化するよう機能してもよい。補強リブ２７７は加えて、基板２６１の冷却にも役立ちうる。リブ２７７は例えば、基板２６１から周囲に熱を放射し、それにより基板２６１が冷却されてもよい。代替的な実施の形態においては、補強リブ２７７は、ハニカム構造以外の構造を形成するよう配設されていてもよい。
【０３１１】
イオンが基板２６１を通過するのを補強リブ２７７が実質的に妨げないことが望まれうる。例えば、イオンが空洞２６５へと通るのを補強リブが実質的に妨げないことが望まれうる。これは、補強リブ２７７どうしの間に（リブの厚さに対して）実質的な間隔を与えることによって実現されうる。これにより、補強リブ２７７によって占有される基板２６１の割合を比較的小さくすることが保証されうる（例えば１０％未満）。こうして基板２６１に入射するイオンのうちリブ２７７に衝突する比率が比較的小さくなり、補強リブ２７７によって基板２６１を通過するのを妨げられるイオンの比率はごくわずかとなる。
【０３１２】
それとともにまたはそれに代えて、リブ２７７の厚さは、イオンがリブ２７７を通過しうるよう十分に薄く、それによりイオンに基板２６１を通過させるのをリブ２７７が実質的に妨げないようになっていてもよい。補強リブ２７７の厚さは例えば、およそ１ミクロン未満であってもよい。
【０３１３】
補強リブ２７７は、基板２６１の全体に配置されていなくてもよいが、とくに、フォトカソード２４３に電圧が印加されるとき大きな応力にさらされる基板２６１の部分に配置されていてもよい。例えば、補強リブ２７７は、材料膜２６３と空洞２６５を分離する基板２６１の層を補強するよう位置してもよい。この基板２６１の層は使用時に大きな応力にさらされうるからである。
【０３１４】
フォトカソード２４３のいくつかの実施の形態が、基板２６１内に形成され基板２６１の材料に包囲された空洞２６５を備えるものとして上述されている。しかしながら、いくつかの実施の形態においては、空洞２６５は、周囲または他の材料に開放されていてもよい。図１９は、基板２６１の基部まで延びる空洞２６５を備えるフォトカソード２４３の概略図である。空洞２６５へと通るイオンは、空洞を通り抜け、空洞２６５によって形成された開口部２７８から出る。開口部を通過するイオンを吸収し停止させるために、ある材料が開口部２７８を越えたところに位置してもよい。これにより、イオンに起因する損傷をフォトカソード２４３の外側に起こすことが保証されうる。
【０３１５】
電子源のいくつかの実施の形態がフォトカソード２４３に入射するレーザビーム２４１を放出するレーザ２３５に関連して説明されているが、他の実施の形態においてはレーザ以外の放射源が使用されてもよいものと理解すべきである。放射源は、レーザビームではない放射ビームを放出してもよい。よって、レーザ及び／またはレーザビームとの言及は、いくつかの実施の形態においては、放射源及び／または放射ビームに置き換えられてもよい。
【０３１６】
自由電子レーザのいくつかの実施の形態が線形加速器２２、１５０、１２２を備えるものとして説明されているが、線形加速器は自由電子レーザにおいて電子を加速するのに使用されうる一種の粒子加速器の単なる例である。線形加速器がとくに有利でありうるのは、異なるエネルギーを有する電子を同じ軌道に沿って加速することを可能にするからである。しかしながら、自由電子レーザの代替的な実施の形態においては、他の種類の粒子加速器が電子を相対論的速度に加速するために使用されてもよい。
【０３１７】
用語「相対論的電子」は、相対論的速度で進む電子を意味するものと解釈すべきである。とくに、相対論的電子は、粒子加速器によって相対論的速度に加速された電子を指し示すために用いられてもよい。
【０３１８】
図面に示された入射器および入射器構成は単なる実施の形態であり、本発明による他の入射器構成も可能であることは理解されよう。
【０３１９】
８台のリソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８を備えるリソグラフィシステムが上述されているが、それより多くのまたはそれより少ないリソグラフィ装置がリソグラフィシステムに設けられてもよいことを理解すべきである。また、リソグラフィ装置ＬＡ１〜ＬＡ８の１つ又は複数がマスク検査装置ＭＩＡを備えてもよい。いくつかの実施の形態においては、リソグラフィシステムは、ある程度の冗長性を可能とするために２台のマスク検査装置を備えてもよい。これは、一方のマスク検査装置を使用しつつ他方のマスク検査装置を修理またはメンテナンスすることを可能としうる。こうして１台のマスク検査装置が常に利用可能である。マスク検査装置は、リソグラフィ装置よりも低出力の放射ビームを使用してもよい。
【０３２０】
本書ではリソグラフィ装置の文脈において本発明のいくつかの実施の形態に具体的な言及がなされているが、本発明の実施の形態は他の装置にも用いられうる。本発明の実施の形態は、マスク検査装置、メトロロジ装置、または、ウェーハ（または他の基板）またはマスク（または他のパターニングデバイス）のような物体を計測しまたは処理する何らかの装置の一部を形成してもよい。これらの装置は一般にリソグラフィックツールとも称されうる。こうしたリソグラフィックツールは真空条件または周囲環境（非真空）条件で使用されうる。
【０３２１】
本発明の実施の形態は、基板をパターニングするよう１つの電子ビームまたは多数の電子ビームを使用するあるリソグラフィ装置の一部を形成してもよい。
【０３２２】
用語「ＥＵＶ放射」は、５〜２０ｎｍの範囲内（例えば１３〜１４ｎｍの範囲内）のある波長を有する電磁放射を包含するものと考慮されうる。ＥＵＶ放射は、１０ｎｍより短い（例えば、６．７ｎｍまたは６．８ｎｍのような５〜１０ｎｍの範囲内の）ある波長を有してもよい。
【０３２３】
リソグラフィ装置ＬＡ１からＬＡ８はＩＣの製造に使用されうる。あるいは、本書に説明されるリソグラフィ装置ＬＡ１からＬＡ８は、他の用途を有してもよい。可能な他の用途には、集積光学システム、磁区メモリ用案内パターンおよび検出パターン、フラットパネルディスプレイ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、薄膜磁気ヘッド等の製造が含まれる。
【０３２４】
本発明のいくつかの具体的な実施の形態が上記に説明されたが、説明されたもの以外にも本発明は実施されうると理解されたい。上述の説明は例示であり、限定を意図しない。よって、後述の特許請求の範囲から逸脱することなく既述の本発明に変更を加えることができるということは、関連技術の当業者には明らかなことである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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