TWI704846B - 波盪器 - Google Patents

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TWI704846B
TWI704846B TW104110562A TW104110562A TWI704846B TW I704846 B TWI704846 B TW I704846B TW 104110562 A TW104110562 A TW 104110562A TW 104110562 A TW104110562 A TW 104110562A TW I704846 B TWI704846 B TW I704846B
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安得列 亞歷山卓維克 倪祺佩洛
喬漢那斯 安東尼司 傑瑞德思 亞克曼司
李奧納德斯 雅得安司 傑拉德斯 葛里民克
艾瑞克 羅勒夫 洛卜史塔
麥可 喬賽夫 瑪堤斯 瑞肯
愛德瑞恩 托馬
漢 冠 尼恩休斯
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荷蘭商Ａｓｍｌ荷蘭公司
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Abstract

一種用於一自由電子雷射之波盪器，其包含用於一電子射束之一管及沿著該管軸向地延伸之一或多個週期性磁性結構。每一週期性磁性結構包含複數個磁體及複數個被動鐵磁性元件，在一軸向方向上延伸之一線中交替地配置該複數個磁體與該複數個被動鐵磁性元件。該複數個磁體中之每一者與該管空間地分離，且該等被動鐵磁性元件中之每一者自一鄰近磁體朝向該管徑向地延伸。可在該等磁體與該管之間提供一間隔元件以提供用於該等磁體之輻射屏蔽及/或提供用於該管之冷卻。

Description

波盪器
本發明係關於一種用於自由電子雷射之波盪器。詳言之但非排他地，可在用於微影系統之輻射產生中使用自由電子雷射。
微影裝置為經建構以將所要圖案施加至基板上之機器。微影裝置可用於(例如)積體電路(IC)製造中。微影裝置可(例如)將圖案自圖案化器件(例如，光罩)投影至提供於基板上之輻射敏感材料(抗蝕劑)層上。
由微影裝置使用以將圖案投影至基板上之輻射之波長判定可形成於彼基板上之特徵之最小大小。使用為具有在4奈米至20奈米之範圍內的波長之電磁輻射之EUV輻射的微影裝置相比於習知微影裝置(其可(例如)使用具有193奈米之波長之電磁輻射)可用以在基板上形成較小特徵。
對於微影及其他應用，需要能夠產生具有已知功率及/或特定空間強度分佈之輻射光束。
本發明之一目標為預防或減輕先前技術之技術的至少一個問題。
根據本發明之一第一態樣，提供一種用於沿著一週期性路徑來導引一電子射束之波盪器，其包含：沿著該波盪器軸向地延伸之一或 多個週期性磁性結構，每一週期性磁性結構包含複數個磁體及複數個被動鐵磁性元件，在一軸向方向上延伸之一線中交替地配置該複數個磁體與該複數個被動鐵磁性元件；其中該複數個磁體中之每一者與由該電子射束遵循之該週期性路徑空間地分離，且其中該等被動鐵磁性元件中之每一者自一鄰近磁體朝向由該電子射束遵循之該週期性路徑徑向地延伸。
有益的是，該第一態樣之波盪器相比於已知波盪器設計允許壽命增加，在已知波盪器設計中通常應理解，波盪器之磁體應儘可能接近於電子射束之路徑。藉由在根據該第一態樣之波盪器中在磁體與電子射束之路徑之間提供額外空間分離度，可達成磁體之更穩定溫度，從而穩定化磁體之磁場。另外，該第一態樣提供主動屏蔽磁體之能力。
該波盪器可進一步包含一電子射束可傳播通過之一管。可抽空該管。該管可實質上環繞由電子射束遵循之路徑。由電子射束遵循之路徑可實質上沿著該管之中心而延伸。對於包含一管之實施例，複數個磁體中之每一者可與該管空間地分離，且被動鐵磁性元件中之每一者可自鄰近磁體朝向該管徑向地延伸。在使用此配置的情況下，作為電子射束傳播通過管之結果，管可歸因於由電子射束產生之尾流場而變熱。對於包含一管之實施例，永久磁體自電子射束之路徑之徑向間隔之另一優點為：此情形提供用於可自管耗散熱之冷卻劑系統之空間。
該波盪器可進一步包含複數個間隔元件。可藉由該複數個間隔元件中之一者而使該複數個磁體中之一或多者與該週期性路徑分離。有利的是，該等間隔元件可屏蔽磁體免於可造成磁體之去磁的高能量電子及/或光子影響。
該複數個間隔元件可由一非磁性材料形成。
該複數個間隔元件可由具有一相對小莫里哀(Moliere)半徑及一相對高密度之一材料形成。
該複數個間隔元件可由鎢或引線形成。
該複數個間隔元件可由包含原子數目在29至33、40至51及72至83之範圍內的元素之一合金形成。
該複數個間隔元件可具有為供形成該間隔元件之該材料之至少該莫里哀半徑的一徑向厚度。
該複數個間隔元件可具有大於1公分之一徑向厚度。該複數個間隔元件可具有大於3公分之一徑向厚度。
該波盪器可進一步包含供該電子射束傳遞通過之一管。該一或多個週期性磁性結構中之每一者沿著該管軸向地延伸。
可藉由該複數個間隔元件中之一者而使該複數個磁體中之每一者與該管分離。
一給定週期性結構之該複數個磁體可經配置成使得沿著該週期性磁性結構之一長度，該等磁體之偏振在正軸向方向與負軸向方向之間交替。
該等磁體可包含稀土磁體。
該等磁體可由一過渡金屬及一稀土元素之一合金形成。
該合金可呈ReTm5或Re2Tm17之形式，其中Re為一稀土元素且Tm為一過渡金屬。該稀土元素可包含以下各者中之任一者：釤(Sm)、鐠(Pr)、釹(Nd)或鏑(Dy)。該過渡金屬可包含以下各者中之任一者：鈷(Co)、鐵(Fe)、銅(Cu)、鋯(Zr)或鉿(Hf)。該等磁體可包含由釤及鈷之一合金形成的釤-鈷(SmCo)磁體。
該合金可進一步包含硼。該合金可呈Re2Tm17B之形式，其中Re為一稀土元素且Tm為過渡金屬。
在垂直於一軸向方向之一平面中，該等被動鐵磁性元件中之每 一者之橫截面包含與一鄰近磁體對準之一徑向外部部分及朝向該週期性路徑延伸之一徑向內部部分。
該徑向內部部分可向內漸狹。
該波盪器可進一步包含該波盪器之一外部表面上之一中子吸收材料。
該波盪器可具備一冷卻劑可循環通過之一或多個冷卻通道。
該一或多個冷卻通道可提供於該複數個間隔元件中。替代地，該一或多個冷卻通道可提供於該管中。
該波盪器可進一步包含一側上之該週期性路徑與另一側上之該等磁體及該等被動鐵磁性元件之間的一熱障壁。
該熱障壁可提供於一側上之該等間隔元件與另一側上之該等磁體及該等被動鐵磁性元件之間。
該熱障壁可提供於一側上之該管與另一側上之該等磁體及該等被動鐵磁性元件之間。
該熱障壁可包含一間隙。該間隙可保持於真空條件下。
該熱障壁可包含塗佈於該波盪器之一或多個表面上之一低發射率膜。
該等鐵磁性元件可由包含多於95%的鐵之軟鐵形成。
該等鐵磁性元件可由包含多於20%的鐵及多於20%的鈷之一合金形成。
該等鐵磁性元件可由包含鐵、鈷及釩之呈形式Fe49Co49V2的一合金形成。
根據本發明之一第二態樣，提供一種用於沿著一週期性路徑來導引一電子射束之波盪器，其包含：沿著該波盪器軸向地延伸之一或多個週期性磁性結構，每一週期性磁性結構包含複數個磁體；及複數個間隔元件；其中藉由該複數個間隔元件中之一者而使該複數個磁體 中之一或多者與由該電子射束遵循之該週期性路徑空間地分離。
該複數個間隔元件可由一非磁性材料形成。
該複數個間隔元件可由具有一相對小莫里哀半徑及一相對高密度之一材料形成。
該複數個間隔元件可具有為供形成該間隔元件之該材料之至少該莫里哀半徑的一徑向厚度。
該波盪器可進一步包含供該電子射束傳遞通過之一管，該一或多個週期性磁性結構中之每一者沿著該管軸向地延伸。
可藉由該複數個間隔元件中之一者而使該複數個磁體中之每一者與該管分離。
根據本發明之一第三態樣，提供一種用於沿著一週期性路徑來導引一電子射束之波盪器模組，其包含：用於一電子射束之一光束管，該光束管界定該波盪器模組之一軸線；一超導磁體總成，其可操作以沿著該軸線產生一週期性磁場；一第一冷卻劑系統，其可操作以將超導磁體總成冷卻至一第一溫度；及一第二冷卻劑系統，其可操作以將該光束管冷卻至一第二溫度。
一熱障壁可提供於該光束管與該超導磁體總成之間。該熱障壁可經配置以縮減由於熱輻射而在該光束管與該超導磁體總成之間的熱轉移。
該熱障壁可包含該光束管與該超導磁體總成之間的一間隙。
該熱障壁可包含多層絕緣物。
該超導磁體總成可包含一或多個週期性磁性結構。該一或多個週期性磁性結構中之每一者可包含複數個鐵磁性元件，一超導線圈圍繞該複數個鐵磁性元件而捲繞。
該第一冷卻劑系統可將液態氦用作一冷卻劑。
該第二冷卻劑系統可將液態氮用作一冷卻劑。
根據本發明之一第四態樣，提供一種自由電子雷射，其包含：一電子源，其用於產生包含複數個相對論電子聚束之一電子射束；及根據本發明之該第一態樣、該第二態樣或該第三態樣之一波盪器，其經配置以接收該電子射束且沿著一週期性路徑來導引該電子射束，使得該電子射束與該波盪器內之輻射相互作用，從而刺激輻射之發射且提供一輻射光束。
根據本發明之一第五態樣，提供一種微影系統，其包含：根據本發明之該第二態樣之一自由電子雷射；及至少一微影裝置，該至少一微影裝置中之每一者經配置以接收由該自由電子雷射產生之至少一輻射光束之至少一部分。
如將對熟習此項技術者易於顯而易見，可組合上文或下文所闡明之本發明之各種態樣及特徵與本發明之各種其他態樣及特徵。
8‧‧‧開口
10‧‧‧琢面化場鏡面器件
11‧‧‧琢面化光瞳鏡面器件
13‧‧‧鏡面
14‧‧‧鏡面
19‧‧‧光束分裂裝置
21‧‧‧噴射器
22‧‧‧線性加速器
23‧‧‧聚束壓縮機
24‧‧‧波盪器
24a‧‧‧第一波盪器
24b‧‧‧第二波盪器
24c‧‧‧第三波盪器/螺旋狀波盪器
24d‧‧‧第四波盪器
24e‧‧‧螺旋狀波盪器模組/波盪器
26‧‧‧電子減速器
40‧‧‧光束管
41‧‧‧中心軸線
42a‧‧‧週期性磁性結構
42b‧‧‧週期性磁性結構
42c‧‧‧週期性磁性結構
42d‧‧‧週期性磁性結構
44‧‧‧永久磁體
46‧‧‧間隔元件
48‧‧‧鐵磁性元件
48a‧‧‧第一側
48b‧‧‧第二側
48c‧‧‧第三側
48d‧‧‧第四側
48e‧‧‧第五側
52‧‧‧冷卻通道
100‧‧‧光束截止器
140‧‧‧管
140a‧‧‧鑽孔
142a‧‧‧週期性磁性結構
142b‧‧‧週期性磁性結構
144‧‧‧磁體
146‧‧‧間隔元件
148‧‧‧鐵磁性元件
160‧‧‧間隙
240‧‧‧管
242a‧‧‧週期性磁性結構
242b‧‧‧週期性磁性結構
242c‧‧‧週期性磁性結構
242d‧‧‧週期性磁性結構
244‧‧‧磁體
246‧‧‧間隔元件
246a‧‧‧傾斜側
246b‧‧‧徑向最內部側
246c‧‧‧傾斜側
248‧‧‧鐵磁性元件
248a‧‧‧傾斜側
248b‧‧‧徑向最內部側
248c‧‧‧傾斜側
249‧‧‧大體上矩形徑向外部部分
250‧‧‧徑向內部部分
260‧‧‧間隙
340‧‧‧光束管
344a‧‧‧第一磁體/永久磁體
344b‧‧‧第二磁體/永久磁體
360a‧‧‧週期性磁性結構
360b‧‧‧週期性磁性結構
361‧‧‧間隔元件
440‧‧‧光束管
441‧‧‧軸線
442a‧‧‧週期性磁性結構
442b‧‧‧週期性磁性結構
442c‧‧‧週期性磁性結構
442d‧‧‧週期性磁性結構
446‧‧‧第一凸緣
448‧‧‧第二凸緣
450‧‧‧外部容器
452‧‧‧冷卻通道
455a‧‧‧內部容器
455b‧‧‧內部容器
460‧‧‧體積
465‧‧‧體積
470‧‧‧中心鑽孔
480‧‧‧鐵磁性元件
482‧‧‧線圈
488‧‧‧波紋管
490‧‧‧間隙
B‧‧‧極紫外線(EUV)輻射光束/主輻射光束
Ba‧‧‧分支輻射光束
Ba'‧‧‧經圖案化輻射光束
Bb‧‧‧分支輻射光束
Bh‧‧‧分支輻射光束
E‧‧‧聚束式電子射束/脈衝式電子射束
FEL‧‧‧自由電子雷射
IL‧‧‧照明系統
LA1‧‧‧微影裝置
LA8‧‧‧微影裝置
LS‧‧‧微影系統
MA‧‧‧圖案化器件/光罩
MT‧‧‧支撐結構
PS‧‧‧投影系統
SO‧‧‧輻射源
W‧‧‧基板
WT‧‧‧基板台
現在將參看隨附示意性圖式而僅作為實例來描述本發明之實施例，在該等圖式中：圖1為根據本發明之一實施例的包含自由電子雷射之微影系統的示意性說明；圖2為形成圖1之微影系統之部件的微影裝置之示意性說明；圖3為形成圖1之微影系統之部件的自由電子雷射之示意性說明；圖4為可形成圖3之自由電子雷射之部件的第一波盪器之一部分在平行於該波盪器之軸線之平面中之橫截面圖的示意性說明；圖5為圖4之第一波盪器之一部分在垂直於該波盪器之軸線之平面中之橫截面圖的示意性說明；圖6為圖4之第一波盪器之部分在垂直於該波盪器之軸線之平面中之部分橫截面圖的示意性說明，其中該波盪器之管未被說明； 圖7為形成圖4之第一波盪器之部件的磁體之一者在垂直於該波盪器之軸線之平面中之橫截面圖的示意性說明；圖8為形成圖4之第一波盪器之部件的鐵磁性元件之一者在垂直於該波盪器之軸線之平面中之橫截面圖的示意性說明；圖9為可形成圖3之自由電子雷射之部件的第二波盪器之一部分在垂直於該波盪器之軸線之平面中之橫截面圖的示意性說明；圖10為圖9之第二波盪器之一部分在垂直於該波盪器之軸線之平面中之橫截面圖的示意性說明；圖11為可形成圖3之自由電子雷射之部件的第三波盪器之一部分在垂直於該波盪器之軸線之平面中之橫截面圖的示意性說明；圖12為圖11之第三波盪器之一部分在垂直於該波盪器之軸線之平面中之橫截面圖的示意性說明；圖13為形成圖11之第三波盪器之部件的鐵磁性元件中之一者在垂直於該波盪器之軸線之平面中之橫截面圖的示意性說明；圖14為形成圖11之第三波盪器之部件的磁體中之一者在垂直於該波盪器之軸線之平面中之橫截面圖的示意性說明；圖15為形成圖11之第三波盪器之部件的間隔元件中之一者在垂直於該波盪器之軸線之平面中之橫截面圖的示意性說明；圖16為可形成圖3之自由電子雷射之部件的第四波盪器之一部分在平行於該波盪器之軸線之平面中之橫截面圖的示意性說明；及圖17為可形成圖3之自由電子雷射之部件的第五波盪器之一部分在平行於該波盪器之軸線之平面中之橫截面圖的示意性說明；及圖18為圖17之第五波盪器之一部分在平行於該波盪器之軸線之平面中之橫截面圖的示意性說明。
圖1展示根據本發明之一實施例之微影系統LS。該微影系統LS包 含一輻射源SO、一光束分裂裝置19及八個微影裝置LA1至LA8。輻射源SO經組態以產生極紫外線(EUV)輻射光束B(其可被稱作主光束)。主輻射光束B分裂成複數個輻射光束Ba至Bh(其可被稱作分支光束)，該複數個輻射光束Ba至Bh中之每一者係由光束分裂裝置19導向至微影裝置LA1至LA8之一不同微影裝置。分支輻射光束Ba至Bh可自主輻射光束連續地分裂，其中每一分支輻射光束自主輻射光束自先前分支輻射光束之下游分裂。在此種狀況下，分支輻射光束可(例如)彼此實質上平行而傳播。
輻射源SO、光束分裂裝置19及微影裝置LA1至LA8可全部經建構及配置成使得其可與外部環境隔離。真空可提供於輻射源SO、光束分裂裝置19及微影裝置LA1至LA8中之至少部分中，以便最小化EUV輻射之吸收。微影系統LS之不同部分可具備處於不同壓力之真空(亦即，保持處於低於大氣壓力之壓力)。
參看圖2，微影裝置LA1包含一照明系統IL、經組態以支撐圖案化器件MA(例如，光罩)之一支撐結構MT、一投影系統PS，及經組態以支撐基板W之一基板台WT。照明系統IL經組態以調節由微影裝置LA1接收之分支輻射光束Ba，之後該分支輻射光束Ba入射於圖案化器件MA上。投影系統PS經組態以將輻射光束Ba'(現在藉由光罩MA而圖案化)投影至基板W上。基板W可包括先前形成之圖案。在此種狀況下，微影裝置將經圖案化輻射光束Ba'與先前形成於基板W上之圖案對準。
由微影裝置LA1接收之分支輻射光束Ba自光束分裂裝置19通過照明系統IL之圍封結構中之開口8而傳遞至照明系統IL中。視情況，分支輻射光束Ba可聚焦以在開口8處或附近形成中間焦點。
照明系統IL可包括琢面化場鏡面器件10及琢面化光瞳鏡面器件11。琢面化場鏡面器件10及琢面化光瞳鏡面器件11一起向輻射光束Ba 提供所要橫截面形狀及所要角度分佈。輻射光束Ba自照明系統IL傳遞且入射於由支撐結構MT固持之圖案化器件MA上。圖案化器件MA反射且圖案化輻射光束以形成經圖案化光束Ba'。除了琢面化場鏡面器件10及琢面化光瞳鏡面器件11以外或代替琢面化場鏡面器件10及琢面化光瞳鏡面器件11，照明系統IL亦可包括其他鏡面或器件。舉例而言，照明系統IL可包括可獨立移動鏡面陣列。可獨立移動鏡面可(例如)有小於1毫米寬。可獨立移動鏡面可(例如)為微機電系統(MEMS)器件。
在自圖案化器件MA反射之後，經圖案化輻射光束Ba'進入投影系統PS。投影系統PS包含複數個鏡面13、14，該複數個鏡面13、14經組態以將輻射光束Ba'投影至由基板台WT固持之基板W上。投影系統PS可將縮減因數應用於輻射光束，從而形成特徵小於圖案化器件MA上之對應特徵之影像。舉例而言，可應用為4之縮減因數。儘管投影系統PS在圖2中具有兩個鏡面，但投影系統可包括任何數目個鏡面(例如，6個鏡面)。
輻射源SO經組態而以足夠功率產生EUV輻射光束B以供應微影裝置LA1至LA8中之每一者。輻射源包含自由電子雷射。
自由電子雷射包含一電子源及一加速器，該電子源及該加速器可操作以產生聚束式相對論電子射束，且該等相對論電子聚束導向通過一週期性磁場。該週期性磁場係由波盪器產生且使電子遵循圍繞中心軸線之振盪路徑。由於由磁性結構造成之加速度，故電子大體上在中心軸線之方向上自發地輻射電磁輻射。相對論電子與波盪器內之輻射相互作用。在某些條件下，此相互作用使電子一起聚束成微聚束，該等微聚束在波盪器內之輻射之波長下經調變，且刺激輻射沿著中心軸線之相干發射。
由電子遵循之路徑可為正弦及平面的，其中電子週期性地橫穿 中心軸線；或可為螺旋狀，其中電子圍繞中心軸線而旋轉。振盪路徑之類型可影響由自由電子雷射發射之輻射之偏振。舉例而言，使電子沿著螺旋狀路徑傳播之自由電子雷射可發射橢圓形偏振輻射，其對於藉由一些微影裝置對基板W之曝光而言可較佳。
圖3為自由電子雷射FEL之示意性描繪，該自由電子雷射FEL包含一噴射器21、一線性加速器22、一波盪器24、一電子減速器26、一光束截止器100，且視情況包含一聚束壓縮機23。
噴射器21經配置以產生聚束式電子射束E且包含電子源，諸如，熱離子陰極或光陰極，及加速電場。電子射束E係由線性加速器22加速至相對論速度。在一實例中，線性加速器22可包含：複數個射頻空腔，其沿著一共同軸線軸向地間隔；及一或多個射頻電源，其可操作以在電子聚束在電磁場之間傳遞時沿著共同軸線控制該等電磁場以便使每一電子聚束加速。空腔可為超導射頻空腔。有利的是，此情形允許：以高作用區間循環施加相對大電磁場；較大光束孔徑，從而引起歸因於尾流場之較少損耗；且允許增加透射至光束(相對於通過空腔壁而耗散)之射頻能量之分率。替代地，空腔通常可導電(亦即，不超導)，且可由(例如)銅形成。亦可使用其他類型之線性加速器。舉例而言，線性加速器22可包含雷射加速器，其中電子射束E傳遞通過經聚焦雷射光束且雷射光束之電場造成電子加速。
噴射器21及線性加速器22一起形成可操作以產生相對論電子之電子源。
電子射束E傳遞通過安置於線性加速器22與波盪器24之間的聚束壓縮機23。聚束壓縮機23經組態以聚束電子射束E中之電子且空間地壓縮電子射束E中之現有電子聚束。
電子射束E接著傳遞通過波盪器24。通常，波盪器24包含複數個模組。每一模組包含一週期性磁體結構，該週期性磁體結構可操作以 產生週期性磁場且經配置以便沿著彼模組內之週期性路徑來導引由噴射器21及線性加速器22產生的相對論電子射束E。結果，在每一波盪器模組內，電子大體上在其通過彼模組之週期性路徑之中心軸線之方向上輻射電磁輻射。
在電子移動通過每一波盪器模組時，其與輻射之電場相互作用，從而與輻射交換能量。一般而言，除非條件接近於諧振條件，否則在電子與輻射之間交換之能量之量將快速地振盪，該諧振條件係由如下方程式給出：
Figure 104110562-A0202-12-0011-1
其中λ em 為輻射之波長，λ u 為用於電子傳播通過之波盪器模組之波盪器週期，γ為電子之勞倫茲因數，且K為波盪器參數。A取決於波盪器24之幾何形狀：對於螺旋狀波盪器，A=1，而對於平面波盪器，A=2。實務上，每一電子聚束將具有一能量展度，但可儘可能地最小化此展度(藉由以低發射率產生電子射束E)。波盪器參數K通常為大約1且係由如下方程式給出：
Figure 104110562-A0202-12-0011-2
其中q及m分別為電荷及電子質量，B 0 為週期性磁場之振幅，且c為光速。
諧振波長λ em 等於由移動通過每一波盪器模組之電子自發地輻射之第一諧波波長。自由電子雷射FEL可在自放大自發發射(SASE)模式中操作。在SASE模式中之操作可需要在電子射束E進入每一波盪器模組之前的該電子射束E中之電子聚束之低能量展度。替代地，自由電子雷射FEL可包含可藉由波盪器24內之受激發射而放大之種子輻射源。自由電子雷射FEL可作為再循環放大器自由電子雷射(RAFEL)而操作，其中由自由電子雷射FEL產生之輻射之一部分係用以接種輻射 之進一步產生。
移動通過波盪器24之電子可造成輻射之振幅增加，亦即，自由電子雷射FEL可具有非零增益。可在符合諧振條件時或在條件接近於但稍微偏離諧振時達成最大增益。
圍繞每一波盪器模組之中心軸線之區可被認為是「良好場區」。良好場區可為圍繞中心軸線之體積，其中對於沿著波盪器模組之中心軸線之給定位置，該體積內之磁場之量值及方向實質上恆定。在良好場區內傳播之電子聚束可滿足方程式(1)之諧振條件且因此將放大輻射。另外，在良好場區內傳播之電子射束E應不經歷歸因於未經補償磁場之顯著未預期破壞。
每一波盪器模組可具有一可接受初始軌跡範圍。以在此可接受初始軌跡範圍內的初始軌跡進入波盪器模組之電子可滿足方程式(1)之諧振條件，且與彼波盪器模組中之輻射相互作用以刺激相干輻射之發射。與此對比，以其他軌跡進入波盪器模組之電子可不刺激相干輻射之顯著發射。
舉例而言，通常，對於螺旋狀波盪器模組，電子射束E應與波盪器模組之中心軸線實質上對準。電子射束E與波盪器模組之中心軸線之間的傾角或角度通常應不超過1/10ρ，其中ρ為皮爾斯參數。否則，波盪器模組之轉換效率(亦即，在彼模組中轉換成輻射的電子射束E之能量之部分)可下降低於所要量(或可幾乎下降為零)。在一實施例中，EUV螺旋狀波盪器模組之皮爾斯參數可為大約0.001，而指示電子射束E相對於波盪器模組之中心軸線之傾角應小於100微拉德。
對於平面波盪器模組，較大初始軌跡範圍可為可接受的。倘若電子射束E保持實質上垂直於平面波盪器模組之磁場且保持於該平面波盪器模組之良好場區內，就可刺激輻射之相干發射。
在電子射束E之電子移動通過每一波盪器模組之間的漂移空間 時，該等電子並不遵循週期性路徑。因此，在此漂移空間中，儘管電子與輻射空間地重疊，但其與輻射不交換任何顯著能量，且因此實際上自輻射解耦。
聚束式電子射束E具有有限發射率，且因此，除非被重新聚焦，否則其之直徑將增加。因此，波盪器24進一步包含用於在一對或多對鄰近模組之間重新聚焦電子射束E之機構。舉例而言，可在每一對鄰近模組之間提供四極磁體。四極磁體縮減電子聚束之大小且將電子射束E保持於波盪器24之良好場區內。此情形改良電子與下一波盪器模組內之輻射之間的耦合，從而增加輻射之發射之刺激。
在進入波盪器24時符合諧振條件之電子將在其發射(或吸收)輻射時損耗(或取得)能量，使得不再滿足諧振條件。因此，在一些實施例中，波盪器24可漸狹。亦即，週期性磁場之振幅及/或波盪器週期λ u 可沿著波盪器24之長度而變化，以便在電子聚束經導引通過波盪器24時將該等電子聚束保持處於或接近於諧振。可藉由在每一波盪器模組內及/或在不同模組之間變化週期性磁場之振幅及/或波盪器週期λ u 來達成漸狹。
電子與波盪器24內之輻射之間的相互作用產生電子聚束內之能量展度。波盪器24之漸狹可經配置以最大化處於或接近於諧振之電子之數目。舉例而言，電子聚束可具有在峰值能量下處於峰值之能量分佈，且漸狹可經配置以在具有此峰值能量之電子經導引通過波盪器24時將該等電子保持處於或接近於諧振。有利的是，波盪器24之漸狹具有顯著增加轉換效率之能力。舉例而言，使用漸狹波盪器24可將轉換效率增加達多於2倍。可藉由沿著波盪器24之長度縮減波盪器參數K來達成波盪器24之漸狹。此可藉由使沿著波盪器之軸線之波盪器週期λ u 及/或磁場強度B 0 與電子聚束能量匹配以確保電子聚束處於或接近於諧振條件來達成。以此方式符合諧振條件會增加發射輻射之頻寬。
參看圖4、圖5及圖6，說明根據本發明之一實施例的第一波盪器24a之一部分的不同橫截面圖。波盪器24a包含用於電子射束E之一管40、四個週期性磁性結構42a至42d(圖5)及複數個間隔元件46。為了較佳地說明週期性磁性結構42a至42d之特徵，已經自圖5及圖6及省略間隔元件46且已自圖6省略光束管。
管40經配置成使得在使用中，電子射束E進入管40之一末端、實質上沿著波盪器24a之中心軸線41傳遞通過該末端，且射出管40之相對末端。在使用中，將該管40保持於真空條件下。因而，該管可由不遭受除氣之材料(諸如，不鏽鋼)形成。替代地，管40可由鋁(Al)形成，且可視情況具備不遭受除氣之塗層(例如，由不可蒸發吸氣劑(NEG)形成之塗層)。管40界定電子射束傳遞通過之鑽孔，該鑽孔在垂直於波盪器24a之軸線41之平面中在橫截面中為大體上圓形。管40可在垂直於波盪器24a之軸線41之平面中在橫截面中為大體上圓形，亦即，管40之厚度可大體上均一。
管40之內部提供供電子射束E傳播通過之合適環境。詳言之，將管40保持於真空條件下。在一替代實施例中，波盪器24a不包含管40，而是實情為，電子射束傳播通過由磁性結構42a至42d界定之通道。在此實施例中，整個波盪器24a可維持供電子射束E傳播通過之合適環境。
波盪器24a為沿著其軸線41(其可被稱作軸向方向)延伸之狹長結構。波盪器24a之軸線41延行通過管40之中心。週期性結構42a至42d中之每一者係在實質上垂直於波盪器24a之軸線41之方向(其可被稱作徑向方向)上與軸線41分離。
所有週期性磁性結構42a至42d在結構上實質上相似。詳言之，週期性磁性結構42a至42d中之每一者具有實質上相同波盪器週期λu。
週期性結構42a至42d中之每一者沿著管40軸向地延伸。在垂直於 波盪器24a之軸線41之平面中，四個磁性結構圍繞管40實質上均勻地分佈。第一對磁性結構42a、42b經配置為實質上同相，且在管40之相對側上對稱地配置。第二對磁性結構42c、42d經配置為實質上同相，且在管40之相對側上對稱地配置。第二對磁性結構42c、42d相對於第一對42a、42b圍繞波盪器24a之軸線41旋轉達90度。第一對42a、42b可相對於第二對42c、42d軸向地移位，使得該第一對42a、42b與該第二對42c、42d異相。移位之量可判定由波盪器產生之輻射之偏振。舉例而言，在圖5及圖6中所展示之實施例中，第一對42a、42b係相對於第二對42c、42d軸向地移位達波盪器週期λu的四分之一。此配置可在電子射束E傳播通過此配置時產生圓形偏振輻射。
週期性結構42a至42d中之每一者包含複數個磁體44及複數個鐵磁性元件48。
在軸向方向上延伸之線中交替地配置給定週期性磁性結構42a至42d之複數個磁體44與彼週期性磁性結構42a至42d之鐵磁性元件48。複數個磁體44中之每一者具有一實質上恆定偏振方向，該實質上恆定偏振方向係在圖5至圖7中由箭頭指示。複數個磁體44中之每一者之偏振大體上係在正軸向方向上抑或負軸向方向上。給定週期性結構之複數個磁體44經配置成使得沿著週期性磁性結構42a至42d之長度，磁體44之偏振在正軸向方向與負軸向方向之間交替。每一週期性磁性結構42a至42d產生一週期性磁場，其中週期λu為兩個磁體44及兩個鐵磁性元件48之長度。磁體44中之每一者在垂直於波盪器24a之軸線41之平面中在橫截面中為大體上正方形(參見圖7)。磁體44中之每一者經定向成使得在垂直於波盪器24a之軸線41之平面中，磁體44之對角線大體上在徑向方向上延伸。
鐵磁性元件48中之每一者充當一被動鐵磁性元件。因此，複數個鐵磁性元件48中之每一者係由相對軟鐵磁性材料形成。軟鐵磁性材 料以相對小頑磁、窄磁滯迴路(亦即，低矯頑磁場強度)、高磁導率及高磁飽和感應而容易磁化及去磁。複數個鐵磁性元件48中之每一者可由具有小於500A/m之矯頑磁場強度及多於1000之最大相對磁導率之軟鐵磁性材料形成。
在一些實施例中，鐵磁性元件48係由軟鐵或鐵-鈷合金形成。對於鐵磁性元件48係由軟鐵形成之實施例，鐵磁性元件48可包含多於95%的鐵。具有相對高鈷含量(例如，大於20%)之合金可較佳。對於鐵磁性元件48係由鐵-鈷合金形成之實施例，鐵磁性元件48可包含多於20%的鐵及多於20%的鈷。在一些實施例中，鐵-鈷合金可包含鐵及鈷之相等部分(此被稱為鐵鈷釩(Permandur))。視情況，軟鐵或鐵-鈷合金可包含處於百分比等級之一或多個添加劑。合適添加劑包括釩(V)或鈮(Nb)。在一實施例中，鐵磁性元件48係由形式為Fe49Co49V2之合金形成。
藉由間隔元件46將複數個磁體44中之每一者與管40分離。亦即，在磁體44內部徑向地提供間隔元件46。每一間隔元件46具有與其對應磁體44實質上相同的軸向範圍。在橫截面中(在垂直於波盪器24a之軸線41之平面中)，間隔元件46可具有任何方便形狀。在垂直於波盪器24a之軸線41之平面中，間隔元件46可具有與鐵磁性元件48之徑向內部部分實質上匹配之形狀。在一些實施例中，該形狀可為梯形或漸狹矩形。替代地，在其他實施例中，間隔元件46可在形狀上為實質上環形，或可呈圓環之區段之形式。
複數個磁體44中之每一者係由相對難以去磁的相對硬鐵磁性材料形成。硬鐵磁性材料為具有相對大頑磁及相對廣磁滯曲線的鐵磁性材料。
舉例而言，磁體44可為稀土磁體，其為相對強永久磁體。詳言之，磁體44可由過渡金屬及稀土元素之合金形成。合金可呈ReTm5或 Re2Tm17之形式，其中Re為稀土元素且Tm為過渡金屬。替代地，磁體44可由過渡金屬、稀土元素及硼(B)之合金形成。合金可呈Re2Tm17B之形式，其中Re為稀土元素且Tm為過渡金屬。稀土元素可包含以下各者中之任一者：釤(Sm)、鐠(Pr)、釹(Nd)或鏑(Dy)。過渡金屬可包含以下各者中之任一者：鈷(Co)、鐵(Fe)、銅(Cu)、鋯(Zr)或鉿(Hf)。在一實施例中，磁體為由釤及鈷之合金形成的釤-鈷(SmCo)磁體。此等磁體包括SmCo 1：5系列(SmCo5)及SmCo 2：17系列(Sm2Co17)。在其他實施例中，磁體可由以下合金形成：PrCo5、Sm2Fe17、Sm2Cu17、Sm2Zr17、Sm2Hf17。在一實施例中，磁體44可為釹磁體(FeNdB)，其係由鐵、釹及硼之合金形成且可呈Nd2Fe14B之形式。在其他實施例中，磁體可由Nd2Co14B、Pr2Fe14B、Pr2Co14B、Dy2Fe14B、Dy2Co14B形成。
在橫截面中(在垂直於波盪器24a之軸線41之平面中)，鐵磁性元件48在形狀上為五邊形(參見圖8)。詳言之，鐵磁性元件48包含具有與磁體44之長度實質上相同的長度之大體上垂直之第一側48a及第二側48b。第一側48a及第二側48b形成該與鄰近於彼鐵磁性元件48之磁體44對準的五邊形之凸部分。每一鐵磁性元件進一步包含自磁體44朝向管40延伸之第三側48c及第四側48d。第三側48c及第四側48d在其朝向管40延伸時向內漸狹，且係由鄰近於管40之第五側48e連接。因此，每一鐵磁性元件48將一鄰近對磁體44分離，且相比於磁體44中之每一者朝向管40更遠地延伸。
出於數個原因，波盪器24a之設計有利，如現在所描述。波盪器24a對來自光束管之輻射(尤其是高能量電子及光子)更有抗力。儘管將管40維持處於高真空，但來自電子射束E之高能量電子亦可由管40內之殘餘氣體分子(例如)經由拉塞福散射而散射。此等散射電子可擊中波盪器之磁體，此可使該等磁體至少部分地去磁。
在高能量電子移動通過物質時，其將經由電磁力而與該物質相互作用，從而產生較低能量電子及光子之電磁簇射或級聯。可藉由考慮高能量電子及光子與物質之相互作用來理解此情形。
存在用於電子與物質之間的相互作用之兩個主要機制：軔致輻射及非彈性散射(來自原子電子或原子核)。對於高能量電子(具有大於大約10MeV之能量)，軔致輻射為主程序。軔致輻射為在電子由電場加速時之輻射之發射。對於足夠大能量，電子之能量依據其已穿透之材料深度而按指數律地下降：E(x)~E0exp(-x/Lrad)，其中E0為電子之初始能量，x為材料深度，且Lrad為彼材料之輻射長度。對於低能量電子(具有小於大約10MeV之能量)，非彈性散射為主程序。對於足夠低能量，電子之能量相對於其已穿透之材料深度之改變速率與E-1/2成比例。
存在用於光子與物質之間的相互作用之四個主機制：(i)光電效應；(ii)康普頓散射；(iii)電子-正電子對產生；及(iv)光致核反應。在光子低能量下，光電效應(光子之吸收造成電子自物質之發射)及康普頓散射(光子由自由電子之非彈性散射)為主程序。存在為電子之靜止質量(0.511MeV，以自然單位計)兩倍的用於電子-正電子對產生之能量臨限值。對於高能量光子(具有大於大約10MeV之能量)，電子-正電子對產生為主程序。
用於給定材料之高能量電子與光子之間的相互作用之特徵在於該給定材料之輻射長度Lrad及該給定材料之莫里哀半徑RM。輻射長度Lrad為在電子之能量縮減為原先的1/e(歸因於軔致輻射)且該電子之用於電子-正電子對產生之平均自由路徑縮減為原先的7/9之前由該電子行進之平均距離的量度。用於給定材料之莫里哀半徑RM為電磁簇射之橫向展度之量度。用於給定材料之莫里哀半徑RM為該給定材料之輻射長度Lrad、該給定材料之密度ρ與按比例調整能量Es(其中Es=21 MeV)對該給定材料之臨界能量Ec之比率的乘積：RM=LradρEs/Ec。電磁簇射之大約90%的能量沈積於半徑為Rm之圓柱內，電磁簇射之大約95%的能量沈積於半徑為2Rm之圓柱內，且電磁簇射之大約99%的能量沈積於半徑為3.5Rm之圓柱內。
若高能量電子移動通過永久磁體，則所得電磁簇射可使該永久磁體足夠變熱以使其去磁。此情形對於自由電子雷射之波盪器內之永久磁體不理想，此係因為此去磁將影響波盪器之K參數(參見以上之方程式(2))。
本發明之實施例包含永久磁體44，其與管40空間地分離，而與此項技術中為吾人所知之波盪器相反，在該等波盪器中磁體被安置成儘可能地接近管以便最大化軸線41上之磁場。永久磁體44與管40之空間分離允許在永久磁體44與管40之間置放間隔元件。間隔材料可由將吸收起源於光束管40之高能量電子及光子之大分率之材料形成。以此方式，可屏蔽永久磁體44免於此電磁輻射影響，且可延伸波盪器24a之壽命。一般而言，擊中光束管之壁之電子以相當小掠入射角來擊中光束管之壁。此等電子在徑向方向上之衰減係由間隔元件46及鐵磁性元件48內(之電子及光子)之電磁簇射之橫向展度定義。因此，起源於光束管40之高能量電子及光子之衰減係取決於間隔元件46及鐵磁性元件48之莫里哀半徑及徑向厚度。
使用鐵磁性元件48允許磁體44移動遠離管40，而波盪器24a之軸線41處之磁場強度不具有顯著損耗，此係因為鐵磁性元件48係由磁體44磁化且將由磁體44施加之磁場導引朝向軸線41。事實上，波盪器24a之幾何形狀可經選擇為使得鐵磁性元件48提供足夠聚焦以向沿著軸線41之磁場提供比在具有磁體之相同強度的習知振盪器中之振幅大的振幅B0。因為鐵磁性元件48係被動的且僅導引由磁體44產生之磁通量，所以鐵磁性元件48之磁化未受到高能量電子或光子影響。
鐵磁性元件48及磁體44之相對(軸向)厚度可具有任何合適值。對於間隔元件46之給定(徑向)厚度，鐵磁性元件48之軸向厚度應足夠大以確保由磁體44施加之磁場經導引朝向軸線41，使得軸線41上之磁場係在所要振幅範圍內。鐵磁性元件48之軸向厚度及/或形狀不應使得由磁體44產生之大量磁通量自鐵磁性元件48之面對軸向側洩漏、洩漏通過間隔材料且洩漏至鄰近鐵磁性元件中，因此實際上繞過波盪器24a之軸線41。
間隔元件46係由非磁性材料形成。間隔元件46較佳係由具有小莫里哀半徑及相對高密度之材料形成。有利的是，材料之莫里哀半徑愈小，為了吸收給定量之電磁能量，間隔元件需要之(徑向)厚度愈小。舉例而言，間隔元件46可由鎢(Rm=0.9公分)或鉛(Rm=1.5)形成。替代地，間隔元件46可由銀或鉬形成。替代地，間隔元件46可由含有原子數目在29至33、40至51及72至83之範圍內的相對高含量之元素之合金形成。相對高含量可意謂多於50%，(例如)多於60%、(例如)多於70%。
間隔元件46之徑向厚度較佳為供形成間隔元件46之材料之至少莫里哀半徑。對於具有小掠入射角之電子，此等間隔元件46應吸收其能量的大約90%。更佳地，間隔元件之徑向厚度為供形成間隔元件之材料之莫里哀半徑的至少兩倍，該等間隔元件應吸收具有小掠入射角之電子之大約95%的能量。更佳地，間隔元件之徑向厚度為供形成間隔元件之材料之莫里哀半徑的至少3.5倍，該等間隔元件應吸收具有小掠入射角之電子之大約99%的能量。
在一實施例中，間隔元件46係由鎢形成且具有大於1公分之徑向厚度。在一替代實施例中，間隔元件係由鎢形成且具有大於3公分、更佳大於6公分之徑向厚度。間隔元件46在垂直於軸線41之平面中之橫截面形狀可使得其佔據光束管40與磁體44及鐵磁性元件48之總成之 間的大多數空間。因此，間隔元件46具有側46a至46c，該等側46a至46c以與鐵磁性元件48之形狀相似的方式朝向光束管40延伸。亦即，間隔元件46之形狀可與鐵磁性元件48之徑向最內部部分之形狀實質上匹配。
使用由相對高密度材料形成之間隔元件46有利，此係因為其可部分地屏蔽磁體44免於將另外造成磁體44之去磁的高能量電子及光子影響。然而，由進入間隔元件46之高能量電子引起的電磁簇射將產生顯著數目個光子。又，此情形增加間隔元件46內之光致核反應之數目，此可引起中子自原子核之發射。因此，在本發明之實施例中，磁體44較佳係由較不可能藉由高能量中子去磁之磁性材料形成。出於此原因，釤-鈷(SmCo)磁體相比於釹磁體(FeNdB)較佳，此係因為中子之去磁效應針對SmCo磁體比針對FeNdB磁體小五個數量級。
在一些實施例中，波盪器24a可在(例如)外部徑向表面上具備中子吸收材料。此中子吸收材料可保護磁體免於(例如)由自由電子雷射之其他部件產生之中子影響。
作為脈衝式電子射束傳播通過管40之結果，管40將歸因於由電子射束E產生之尾流場而變熱。永久磁體與管40徑向間隔之另一優點為：此提供用於可自管40耗散熱之冷卻劑系統之空間。因此，波盪器24a可具備冷卻劑可循環通過之冷卻通道。在本實施例中，冷卻劑可循環通過之冷卻通道52提供於間隔元件46中。
在本發明之一些實施例中，可在一側上之間隔元件46及管40與另一側上之磁體44及鐵磁性元件48之間提供小間隙(圖中未繪示)。有利的是，此間隙可使磁體44與間隔元件46及管40至少部分地熱絕緣(相對於傳導)。此情形可幫助穩定化磁體44之溫度，且又穩定化沿著波盪器24a之軸線41產生之磁場。可將該間隙保持於真空條件下，此可改良熱絕緣之等級。此情形可(例如)藉由將整個波盪器24a置放於 可保持處於低壓力之腔室內來達成。另外，可運用低發射率膜塗佈間隔元件46、管40、磁體44及鐵磁性元件48之界定該間隙之一或多個表面。舉例而言，低發射率膜可包含金、銀或鎳。有利的是，此低發射率膜可使磁體44與間隔元件46及管40至少部分地熱絕緣(相對於紅外線輻射)。此情形可提供對磁體44之溫度之進一步穩定度，且又提供對沿著波盪器24a之軸線41產生之磁場之進一步穩定度。
參看圖9及圖10，說明根據本發明之一實施例的第二波盪器24b之一部分的兩個不同橫截面圖。第二波盪器24b在結構上相似於第一波盪器24a，且下文中將僅詳細地描述第一波盪器24a及第二波盪器24b之間的差異。
波盪器24b包含用於電子射束E之一管140、兩個週期性磁性結構142a、142b，及複數個間隔元件146。第二波盪器24b為平面波盪器(亦即，電子射束E在其傳播通過第二波盪器24b時之軌跡處於平面中)。
管140可由與管40相同的材料形成。管140界定電子射束傳遞通過之鑽孔140a，該鑽孔140a在垂直於波盪器24b之軸線41之平面中在橫截面中為大體上圓形。管140經配置成使得在使用中，電子射束E進入管140之一末端、實質上沿著波盪器24b之中心軸線41傳遞通過鑽孔140a，且射出管140之相對末端。在使用中，將管140之內部保持於真空條件下。
週期性磁性結構142a、142b中之每一者在結構上實質上相似，且詳言之，具有實質上相同波盪器週期λu。週期性結構142a、142b中之每一者包含複數個磁體144及複數個鐵磁性元件148。
在軸向方向上延伸之線中交替地配置給定週期性磁性結構142a、142b之複數個磁體144與彼週期性磁性結構142a、142b之鐵磁性元件148。該複數個磁體144中之每一者具有一實質上恆定偏振方向，該實 質上恆定偏振方向係在圖9中由箭頭指示。複數個磁體144中之每一者之偏振大體上係在正軸向方向上抑或負軸向方向上，且給定週期性結構142a、142b之磁體144經配置成使得沿著週期性磁性結構142a、142b之長度，磁體144之偏振在正軸向方向與負軸向方向之間交替。
磁體144中之每一者在垂直於波盪器24b之軸線41之平面中在橫截面中為大體上矩形。應注意，在垂直於波盪器24b之軸線41之平面中，磁體144中之每一者係依與第一波盪器24a之磁體不同的方式予以定向。詳言之，徑向方向通過磁體144之兩個對置面來平分磁體(相對於沿著磁體44之對角線延伸)。複數個磁體144中之每一者可實質上相同於磁體44，且詳言之，可由相同材料形成。
鐵磁性元件148中之每一者可具有不同於鐵磁性元件48的形狀。在其他方面，鐵磁性元件148中之每一者可實質上相同於鐵磁性元件48，且詳言之，可由相同材料形成。
間隔元件146中之每一者可具有不同於間隔元件46的形狀(例如，歸因於磁體144之不同定向)。在橫截面中(在垂直於波盪器24b之軸線41之平面中)，間隔元件146可具有任何方便形狀，諸如，梯形或漸狹矩形。在橫截面中(在垂直於波盪器24b之軸線41之平面中)，間隔元件146可具有與鐵磁性元件148之徑向內部部分之形狀實質上匹配的形狀。在其他方面，間隔元件146中之每一者可實質上相同於間隔元件46，且詳言之，可由相同材料形成。
第二波盪器24b之週期性結構142a、142b之磁體144、鐵磁性元件148及間隔元件146之配置大體上相同於第一波盪器24a之週期性結構42a至42d之磁體44、鐵磁性元件48及間隔元件46之配置。詳言之，藉由間隔元件146將複數個磁體144中之每一者與管140分離。
週期性結構142a、142b每一者沿著管140軸向地延伸。在垂直於波盪器24b之軸線41之平面中，磁性結構142a、142b在管140之相對側 上對稱地配置。週期性磁性結構142a之每一磁體144與週期性磁性結構142b之磁體144中之一者對置，且週期性磁性結構142a之每一鐵磁性元件148與週期性磁性結構142b之鐵磁性元件148中之一者對置。週期性磁性結構142a之每一磁體144之偏振方向係在與週期性磁性結構142b之相對磁體144之偏振方向相對的方向上。亦即，磁性結構142a、142b經配置為異相達波盪器週期λu的一半。
在橫截面中(在垂直於波盪器24b之軸線41之平面中)，鐵磁性元件148包含大體上矩形徑向外部部分及徑向內部部分。每一鐵磁性元件148之徑向外部部分與鄰近於彼鐵磁性元件148之磁體144對準。在徑向向內方向上移動的情況下，徑向內部部分在其朝向管140延伸時向內漸狹。每一鐵磁性元件148之徑向內部部分與鄰近於彼鐵磁性元件148之間隔元件146對準。
出於上文關於第一波盪器24a給出之原因，第二波盪器24b之設計有利。
作為脈衝式電子射束傳播通過管140之結果，管140將歸因於由電子射束E產生之尾流場而變熱。永久磁體與管140徑向間隔之另一優點為：此提供用於可自管140耗散熱之冷卻劑系統之空間。因此，波盪器24b可具備冷卻劑可循環通過之冷卻通道。在本實施例中，冷卻劑可循環通過之冷卻通道52提供於管140中。
垂直於波盪器24b及管140之軸線41之平面可被稱作x-y平面(如由圖10中之軸線所指示)。在兩個磁性結構142a、142b之間延伸之方向可被稱作y方向且垂直方向可被稱作x方向。在垂直於波盪器24b之軸線41之平面中在橫截面中，管140在形狀上為大體上矩形(參見圖10)。此矩形形狀可具有圓化隅角。矩形之較長尺寸與x方向對準且矩形之較短尺寸與y方向對準。管140具備兩個冷卻通道52。每一冷卻通道52提供於鑽孔140a之一相對側上(在x方向上)。
可在一側上之管140與另一側上之磁體144、間隔元件146及鐵磁性元件148之間提供小間隙160。有利的是，此間隙可使磁體144、間隔元件146及鐵磁性元件148與管140至少部分地熱絕緣(相對於傳導)。此情形可幫助穩定化磁體144之溫度，且又穩定化沿著波盪器24b之軸線41產生之磁場。可將該間隙保持於真空條件下，此可改良熱絕緣之等級。此情形可(例如)藉由將整個波盪器24b置放於可保持處於低壓力之腔室內來達成。另外，可運用低發射率膜塗佈間隔元件146、管140、磁體144及鐵磁性元件148之界定該間隙之一或多個表面。舉例而言，低發射率膜可包含金、銀或鎳。有利的是，此低發射率膜可使磁體144與管140至少部分地熱絕緣(相對於紅外線輻射)。此情形可提供對磁體144之溫度之進一步穩定度，且又提供對沿著波盪器24b之軸線41產生之磁場之進一步穩定度。
參看圖11及圖12，說明根據本發明之一實施例的第三波盪器24c之一部分的兩個不同橫截面圖。為了較佳地說明週期性磁性結構之特徵，已自圖12省略一些間隔元件及光束管。
該第三波盪器24c在結構上係相似於第一波盪器24a及第二波盪器24b，且下文中將僅詳細地描述第三波盪器24c與第一波盪器24a及第二波盪器24b之間的差異。
波盪器24c包含用於電子射束E之一管240、四個週期性磁性結構242a至242d，及複數個間隔元件246。因此，第三波盪器24c在大多數方面係相似於第二波盪器24b，但類似於第一波盪器24a，第三波盪器24c具有四個週期性磁性結構242a至242d。
管240係相似於管140，且可由與管140相同的材料形成。
週期性磁性結構242a至242d中之每一者在結構上實質上相似，且詳言之，具有實質上相同波盪器週期λu。週期性結構242a至242d中之每一者包含複數個磁體244及複數個鐵磁性元件248。每一週期性結構 242a至242d內之磁體244及鐵磁性元件248之配置係實質上相同於每一週期性結構142a、142b內之磁體144及鐵磁性元件148之配置。
如圖14中所展示，磁體244中之每一者在垂直於波盪器24c之軸線41之平面中在橫截面中為大體上矩形。在垂直於波盪器24c之軸線41之平面中，磁體244中之每一者係依與第二波盪器24b之磁體144相似的方式予以定向。複數個磁體244中之每一者可實質上相同於磁體44，且詳言之，可由相同材料形成。
鐵磁性元件248中之每一者可具有與鐵磁性元件48及鐵磁性元件148不同的形狀。在其他方面，鐵磁性元件248中之每一者可實質上相同於鐵磁性元件48及鐵磁性元件148，且詳言之，可由相同材料形成。
間隔元件246中之每一者可具有與間隔元件46及間隔元件146不同的形狀。在橫截面中(在垂直於波盪器24c之軸線41之平面中)，間隔元件246可具有任何方便形狀，諸如，梯形或漸狹矩形。在其他方面，間隔元件246中之每一者可實質上相同於間隔元件46及間隔元件146，且詳言之，可由相同材料形成。
第三波盪器24c之週期性結構242a至242d中之每一者之磁體244、鐵磁性元件248及間隔元件246之配置大體上相同於第一波盪器24a之週期性結構42a至42d之磁體44、鐵磁性元件48及間隔元件46之配置及第二波盪器24b之週期性結構142a、142b之磁體144、鐵磁性元件148及間隔元件146之配置。詳言之，藉由間隔元件246將複數個磁體244中之每一者與管240分離。
週期性結構242a至242d中之每一者沿著管240軸向地延伸。在垂直於波盪器24c之軸線41之平面中，四個磁性結構242a、242b係圍繞管240均勻地分佈。第一對磁性結構242a、242b係在管240之相對側上對稱地配置。週期性磁性結構242a之每一磁體244與週期性磁性結構 242b之磁體244中之一者對置，且週期性磁性結構242a之每一鐵磁性元件248與週期性磁性結構242b之鐵磁性元件248中之一者對置。週期性磁性結構242a之每一磁體244之偏振方向係在與週期性磁性結構242b之相對磁體244之偏振方向相對的方向上。亦即，第一對磁性結構242a、242b經配置為異相達波盪器週期λu的一半。
第二對磁性結構242c、242d經配置為異相達波盪器週期λu的一半，且在管240之相對側上對稱地配置。第二對磁性結構242c、242d係相對於第一對242a、242b圍繞中心軸線41旋轉達90°。第一對242a、242b可相對於第二對242c、242d軸向地移位，使得該第一對242a、242b與該第二對242c、242d異相。移位之量可判定由波盪器24c產生之輻射之偏振。舉例而言，在圖11及圖12中所展示之實施例中，第一對242a、242b係相對於第二對242c、242d軸向地移位達波盪器週期λu的四分之一。亦即，第一對週期性磁性結構242a、242b之磁體244被安置成處於與第二對磁性結構242c、242d之鐵磁性元件248實質上相同的軸向位置。亦即，在圍繞波盪器24c之中心軸線41方位角地移動的情況下，每一週期性磁性結構(亦即，以序列242a、242d、242b、242c)係相對於先前週期性磁性結構軸向地移位達為+λu/4或-λu/4之相同量。此配置可在電子射束E傳播通過此配置時產生圓形偏振輻射，且可被稱作螺旋狀波盪器24c。圓形偏振輻射之偏振狀態係取決於每一週期性磁性結構(以序列242a、242d、242b、242c)是否相對於先前週期性磁性結構軸向地移位達+λu/4或-λu/4。
如圖13中所展示，在橫截面中(在垂直於波盪器24c之軸線41之平面中)，鐵磁性元件248包含大體上矩形徑向外部部分249及徑向內部部分250。每一鐵磁性元件248之徑向外部部分與鄰近於彼鐵磁性元件248之磁體244對準。內部部分250具備兩個傾斜側248a、248c，使得在徑向向內方向上移動的情況下，徑向內部部分250在其朝向徑向最 內部側248b(其可鄰近於管240)延伸時向內漸狹。應注意，每一鐵磁性元件248之徑向內部部分250比第二波盪器24b之每一鐵磁性元件148之徑向內部部分更漸狹，使得四個週期性結構242a至242d可被實體地包裝於管240周圍。
每一鐵磁性元件248之徑向內部部分250與鄰近於彼鐵磁性元件248之間隔元件246對準。如圖15中所展示，在橫截面中(在垂直於波盪器24c之軸線41之平面中)，間隔元件246可具有與鐵磁性元件248之徑向內部部分250之形狀實質上匹配的形狀。詳言之，間隔元件246具備兩個傾斜側246a、246c，使得在徑向向內方向上移動的情況下，間隔元件246在其朝向徑向最內部側246b(其可鄰近於管240)延伸時向內漸狹。
出於上文關於第一波盪器24a及第二波盪器24b給出之原因，第三波盪器24c之設計有利。
作為脈衝式電子射束傳播通過管240之結果，管240將歸因於由電子射束E產生之尾流場而變熱。永久磁體與管240徑向間隔之另一優點為：此提供用於可自管240耗散熱之冷卻劑系統之空間。因此，波盪器24c可具備冷卻劑可循環通過之冷卻通道。在本實施例中，冷卻劑可循環通過之冷卻通道52提供於管240中。
垂直於波盪器24c及管240之軸線41之平面可被稱作x-y平面(如由圖12中之軸線所指示)。在第一對磁性結構242a、242b之間延伸之方向可被稱作y方向，且在第二對磁性結構242c、242d之間延伸之方向可被稱作x方向。在垂直於波盪器24c之軸線41之平面中在橫截面中，管240在形狀上為大體上正方形(參見圖12)。此正方形形狀可具有圓化隅角。正方形之一對側與x方向對準，且正方形之另一對側與y方向對準。管240具備四個冷卻通道52。將每一冷卻通道52提供成鄰近於正方形形狀之隅角中之一不同隅角。
可在一側上之管240與另一側上之磁體244、間隔元件246及鐵磁性元件248之間提供小間隙260。有利的是，此間隙可使磁體244、間隔元件246及鐵磁性元件248與管240至少部分地熱絕緣(相對於傳導)。此情形可幫助穩定化磁體244之溫度，且又穩定化沿著波盪器24c之軸線41產生之磁場。可將該間隙260保持於真空條件下，此可改良熱絕緣之等級。此情形可(例如)藉由將整個波盪器24c置放於可保持處於低壓力之腔室內來達成。另外，可運用低發射率膜塗佈間隔元件246、管240、磁體244及鐵磁性元件248之界定該間隙之一或多個表面。舉例而言，低發射率膜可包含金、銀或鎳。有利的是，此低發射率膜可使磁體244與管240至少部分地熱絕緣(相對於紅外線輻射)。此情形可提供對磁體244之溫度之進一步穩定度，且又提供對沿著波盪器24c之軸線41產生之磁場之進一步穩定度。
應注意，第二波盪器24b之鐵磁性元件148具有與第三波盪器24c之鐵磁性元件248(圖13中所展示)大體上相同的形狀。另外，第二波盪器24b之磁體144具有與第三波盪器24c之磁體244(圖14中所展示)大體上相同的形狀。另外，第二波盪器24b之間隔元件146具有與第三波盪器24c之間隔元件246(圖15中所展示)大體上相同的形狀。
參看圖16，說明根據本發明之一實施例的第四波盪器24d之一部分的橫截面圖。第四波盪器24d在結構上係相似於第一波盪器24a、第二波盪器24b及第三波盪器24c，且下文中將僅詳細地描述第四波盪器24d與第一波盪器24a、第二波盪器24b及第三波盪器24c之間的差異。
波盪器24d包含用於電子射束E之一管340、複數個週期性磁性結構及一間隔元件361。在圖16之平面中，展示兩個週期性磁性結構360a、360b。第四波盪器24d可為平面波盪器，且可以相似於第二波盪器24b之方式包含僅此兩個週期性磁性結構360a、360b。替代地，第四波盪器24d可以相似於第一波盪器24a及第三波盪器24c之方式包 含一額外對週期性磁性結構(圖16中未繪示)。如同第一波盪器24a及第三波盪器24c一樣，若第四波盪器24d包含一額外對週期性磁性結構(亦即，其總共包含四個週期性磁性結構)，則第四波盪器24d可產生取決於該四個週期性磁性結構之相對軸向位置而具有線性、橢圓形或圓形偏振的輻射。
管340係相似於管40，且可由與管40相同的材料形成。
週期性磁性結構360a、360b中之每一者在結構上實質上相似，且詳言之，具有實質上相同波盪器週期λu。週期性結構360a、360b中之每一者包含複數個磁體344a、344b。與第一波盪器24a、第二波盪器24b及第三波盪器24c形成對比，第四波盪器24d不使用被動軟鐵磁性元件。
複數個磁體包含具有第一定向之第一磁體344a及具有第二定向之第二磁體344b。在每一週期性磁性結構360a、360b內，係在軸向方向上延伸之線中交替地配置第一磁體344a與第二磁體344b。該複數個磁體344a、344b中之每一者具有一實質上恆定偏振方向，該實質上恆定偏振方向係在圖16中由箭頭指示。第一磁體344a中之每一者之偏振大體上係在正軸向方向上抑或負軸向方向上。第二磁體344b中之每一者之偏振大體上係在正徑向方向上抑或負徑向方向上。在每一週期性磁性結構360a、360b內，在軸向方向上延伸之線中交替地配置第一磁體344a與第二磁體344b，使得在軸向方向上複數個磁體之偏振方向遵循如下序列：負徑向、負軸向、正徑向、正軸向。每一週期性磁性結構360a、360b產生一週期性磁場，其中週期λu為四個磁體(兩個第一磁體344a及兩個第二磁體344b)之長度。
複數個磁體344a、344b中之每一者可實質上相同於磁體44，且詳言之，可由相同材料形成。
間隔元件361呈環繞管340之中空圓柱之形式。亦即，在垂直於 波盪器24d之軸線41之平面中在橫截面中，間隔元件361在形狀上為環形。在其他方面，間隔元件361可實質上相同於間隔元件46、146、246，且詳言之，可由相同材料形成。
出於數個原因，第四波盪器24d之設計有利。間隔元件361至少部分地屏蔽磁體344a、344b免於輻射影響，使得波盪器24d對來自光束管340之輻射(尤其是高能量電子及光子)更有抗力。永久磁體344a、344b與管340空間地分離會允許在永久磁體344a、344b與管340之間置放間隔元件361。
作為脈衝式電子射束傳播通過管340之結果，管340將歸因於由電子射束E產生之尾流場而變熱。永久磁體344a、344b與管340徑向間隔之另一優點為：此提供用於可自管340耗散熱之冷卻劑系統之空間。因此，波盪器24d可具備冷卻劑可循環通過之冷卻通道。舉例而言，冷卻劑可循環通過之冷卻通道52可提供於間隔元件46中(以相似於第一波盪器24a之方式)或提供於管340中(以相似於第二波盪器24b或第三波盪器24c之方式)。
上述波盪器24a、24b、24c、24d中之任一者可具備允許控制波盪器24a、24b、24c、24d之軸線41上之磁場之一調整機構，如現在所描述。現在描述四個分離類型之調整機構。
第一及第二調整機構使用一或多個磁性材料板以控制波盪器24a、24b、24c、24d之軸線41上之磁場。
第一調整機構使用一或多個磁性材料板。該等板可被稱作墊片。詳言之，控制波盪器24a、24b、24c、24d之軸線41上之磁場可藉由在波盪器24a、24b、24c、24d之磁體中之一或多者鄰近處且在波盪器24a、24b、24c、24d之該等磁體中之一或多者外部徑向地置放一或多個磁性材料板來達成。該等板將使波盪器24a、24b、24c、24d之磁場失真，尤其使該等板被置放成緊接之磁體之磁場失真。又，此失真 將影響軸線41上之磁場。軸線41上之磁場對此等板之存在之敏感度可取決於板之磁屬性及緊接於磁體而提供之板之(徑向)厚度。軸線41上之磁場對磁性材料板之敏感度可線性地取決於該等板之厚度。可使用一或多個相對薄個別板來達成材料之合適厚度(以影響軸線41上之磁場之所要改變)。該等板可由任何合適磁性材料形成，諸如，鈷及鐵之合金(CoFe)。
第一調整機構提供對波盪器24a、24b、24c、24d之軸線41上之磁場之一些控制。然而，因為使用一或多個相對薄板來達成磁性材料之所要厚度，所以此方法之解析度受到該等個別板之(非零)厚度限制。另外，第一機構並不容易地適用於自動化。首先，應演算用於每一磁體之磁性材料之所要厚度以便達成所要磁場。接著，應將對應數目個個別墊片置放成緊接於每一磁體。
第二機構使用一或多個磁性材料板。該等板可被稱作墊片。詳言之，波盪器24a、24b、24c、24d包含用於磁體中之一或多者之磁性材料板。在一些實施例中，每一磁體具備一對應磁性材料板。每一板被安置成鄰近於其對應磁體且在其對應磁體外部被徑向地安置，且在徑向方向上可移動。為了達成此情形，每一板可具備一線性致動器。如同第一調整機構一樣，每一板將使波盪器24a、24b、24c、24d之磁場失真，尤其使其之其鄰近於的對應磁體之磁場失真。又，此情形將影響軸線41上之磁場。軸線41上之磁場對板之存在之敏感度可取決於：板之磁屬性；板之(徑向)厚度；及每一板之徑向位置。板中之每一者可具有相等徑向厚度。板對依據每一板之徑向位置而變化的軸線41上之磁場之影響可為非線性的。然而，遍及板之足夠小徑向位移範圍，相依性可為大約線性的。對軸線41上之磁場之控制係藉由板中之一或多者在徑向方向上之獨立移動來達成。板可由任何合適磁性材料形成，諸如，鈷及鐵之合金(CoFe)。
板中之每一者之標稱或預設位置可自其對應磁體徑向地位移，使得可自該標稱位置徑向地向內及徑向地向外兩種方式來移動板。此情形允許藉由在任一(徑向向內或徑向向外)方向上移動板來影響磁場。
第二調整機構提供對波盪器24a、24b、24c、24d之軸線41上之磁場之控制。第二調整機構之解析度係受到個別板之線性徑向位移之解析度限制。可預期第二調整機構具有比第一調整機構大的解析度。另外，第二機構適於自動化。舉例而言，波盪器24a、24b、24c、24d可包含可操作以控制磁性材料板中之每一者之徑向位置之控制器。
第三及第四調整機構使用一或多個致動器以移動波盪器24a、24b、24c、24d之一或多個部件以便控制軸線41上之磁場。
第三機構使用一或多個可個別移動磁體。詳言之，波盪器24a、24b、24c、24d包含一或多個致動器，每一致動器可操作以控制一對應磁體之徑向位置。在一實施例中，波盪器24a、24b、24c、24d之每一磁體具備一致動器，且因此，可獨立於其他磁體而移動。每一致動器可為線性致動器。每一個別磁體之此徑向移動變更彼磁體與軸線41之間的距離，且因此，影響軸線41上之磁場。
軸線41上之磁場對磁體移動之敏感度可取決於每一磁體之徑向位置。關於每一磁體之移動對依據每一磁體之徑向位置而變化的軸線41上之磁場之影響可為非線性的。然而，遍及磁體之足夠小徑向位移範圍，相依性可為大約線性的。對軸線41上之磁場之控制係藉由磁體中之一或多者在徑向方向上之獨立移動來達成。
磁體中之每一者之標稱或預設位置可使得可自該標稱位置徑向地向內及徑向地向外兩種方式來移動磁體。此情形允許藉由在任一(徑向向內或徑向向外)方向上移動磁體來影響磁場。第三機構之敏感度可圍繞標稱位置而不對稱。亦即，針對向內之給定徑向位移之磁場 之改變可不同於針對相同的向外徑向位移之磁場之改變。
可預期第三調整機構具有良好解析度。另外，第三調整機構適於自動化。舉例而言，波盪器24a、24b、24c、24d可包含可操作以控制磁體中之每一者之徑向位置之控制器。然而，可在每一可移動磁體與鄰近鐵磁性元件(或磁體)之間存在不理想摩擦。
第四機構使用磁性元件之一或多個可個別移動群組。詳言之，波盪器24a、24b、24c、24d包含一或多個致動器，每一致動器可操作以控制磁性元件之一對應群組之徑向位置。磁性元件之每一群組包含複數個元件，該等元件包含磁體或鐵磁性元件。磁性元件之每一群組可包含波盪器24a、24b、24c、24d之週期性磁性結構之全部或一部分。在一實施例中，波盪器24a、24b、24c、24d之每一週期性磁性結構具備一致動器，且可獨立於其他週期性磁性結構而移動。每一致動器可為線性致動器。磁性元件之每一個別群組之此徑向移動變更磁性元件之彼群組與軸線41之間的距離，且因此，影響軸線41上之磁場。
軸線41上之磁場對磁性元件群組之移動之敏感度可取決於磁性元件之每一群組之徑向位置。關於磁性元件之每一群組之移動對依據磁性元件之每一群組之徑向位置而變化的軸線41上之磁場之影響可為大約線性的。對軸線41上之磁場之控制係藉由磁性元件之群組中之一或多者在徑向方向上之獨立移動來達成。
磁性元件之群組中之每一者之標稱或預設位置可使得可自該標稱位置徑向地向內及徑向地向外兩種方式來移動磁性元件之群組。此情形允許藉由在任一(徑向向內或徑向向外)方向上移動磁性元件群組來影響磁場。
可預期第四調整機構具有良好解析度。另外，第四調整機構適於自動化。舉例而言，波盪器24a、24b、24c、24d可包含可操作以控制磁磁性元件群組中之每一者之徑向位置之控制器。然而，可在鄰近 對磁性元件群組之間存在不理想摩擦。可藉由組裝波盪器24a、24b、24c、24d使得在每一鄰近對磁性元件群組之間提供間隙來預防此摩擦。此可藉由在每一鄰近對磁性元件群組之間使用墊片或隔片(其隨後被移除)來達成。
上述調整機構中之任一者可結合用於判定波盪器24a、24b、24c、24d之軸線41上之磁場之機構予以使用。控制器可回應於波盪器24a、24b、24c、24d之軸線41上之所判定磁場而使用上述調整機構中之一者以調整波盪器24a、24b、24c、24d之軸線41上之磁場。此調整可使得在波盪器24a、24b、24c、24d之軸線41上達成所要或標稱磁場。
在波盪器24a至24d之上述實施例中之每一者中，可在室溫下提供磁體。此情形可輔助準確定位及對準磁體以便準確提供沿著軸線41之所要磁場之程序。替代地，磁體可具備冷卻劑系統且可低於室溫而冷卻。有利的是，此情形可提供對輻射損害之額外抵抗。磁體及用於電子射束之管可共用一共同冷卻系統。可使用任何合適冷卻劑，諸如，液態氮。
圖17及圖18展示波盪器模組24e之兩個不同橫截面圖，該波盪器模組24e為根據本發明之一實施例的第五波盪器之一部分。該波盪器模組24e包含用於電子射束E之一光束管440及一超導磁體總成。光束管440適於供電子射束E傳播通過。光束管440界定波盪器模組24e之延伸通過光束管440之中心之軸線441。
沿著或平行於軸線441之方向可被稱作軸向方向。在圖17中，軸向方向對應於z方向。穿過軸線441且實質上垂直於軸線441之方向可被稱作徑向方向。垂直於波盪器模組24e之軸線441之平面可被稱作x-y平面(如由圖18中之軸線所指示)。
在x-y平面中在橫截面中，光束管440在形狀上為大體上矩形(參 見圖18)。矩形之較長尺寸與x方向對準且矩形之較短尺寸與y方向對準。中心鑽孔470軸向地延伸通過光束管440。中心鑽孔470在x-y平面中在橫截面中為橢圓形。光束管440具備兩個冷卻通道452，該兩個冷卻通道452中之每一者軸向地延伸通過光束管440。每一冷卻通道452提供於中心鑽孔470之一相對側上(在x方向上)。
光束管440經配置成使得在使用中，電子射束E進入管440之一末端，實質上沿著波盪器24e之中心軸線441而傳遞通過中心鑽孔470，且射出管440之相對末端。在使用中，將光束管440之中心鑽孔470保持於真空條件下。因而，光束管440可由不遭受除氣之材料(諸如，不鏽鋼)形成。替代地，光束管440可由鋁(Al)或銅(Cu)形成，且中心鑽孔470可視情況具備不遭受除氣之塗層(例如，由不可蒸發吸氣劑(NEG)形成之塗層)。
波盪器模組24e包含大體上呈矩形長方體之形式之外部容器450。光束管440延伸通過該外部容器450。波盪器24e包含兩個內部容器455a、455b。兩個內部容器455a、455b中之每一者大體上呈矩形長方體之形式。兩個內部容器455a、455b中之每一者容納於外部容器450內，且連接至(例如，經由一或多個支撐件)外部容器450。視情況，可提供用於縮減外部容器450與內部容器455a、455b之間的振動之轉移之機構(例如，一或多個波紋管或阻尼器)。內部容器455a、455b對稱地配置於光束管440之相對側上(在y方向上)。
光束管440在光束管440之每一末端處具備一雙凸緣連接件，如現在所描述。該雙凸緣連接件包含兩個同心大體上環形凸緣：第一(徑向內部)凸緣446及第二(徑向外部)凸緣448。該第一凸緣與該第二凸緣可經由一或多個徑向延伸支撐支柱(圖中未繪示)而連接。
第一凸緣446允許光束管耦接(例如)至鄰近波盪器模組之光束管或至自由電子雷射之另一元件。第一凸緣446提供用於密封光束管440 之中心鑽孔470，使得可在其中維持所要環境(例如，超高真空(UHV))之機構。
第二凸緣448允許外部容器250與兩個內部容器255a、255b之間的體積460耦接(例如)至鄰近波盪器模組之對應體積。第二凸緣448提供用於密封外部容器250與兩個內部容器255a、255b之間的體積460，使得可在其中維持所要環境之機構。
可需要以大約10微米或更佳之準確度維持超導磁體總成之位置以維持軸線441上之所要磁場。出於此原因，將光束管440經由波紋管488之系統而連接至外部容器450。波紋管488之系統縮減光束管440與外部容器450之間的振動之轉移(例如，來自冷卻劑流)。
該超導磁體總成包含四個週期性磁性結構442a至442d，該四個週期性磁性結構442a至442d各自容納於兩個內部容器455a、455b中之一者內。
該四個週期性磁性結構442a至442d在結構上實質上相似。詳言之，週期性磁性結構442a至442d中之每一者具有實質上相同波盪器週期。週期性結構442a至442d中之每一者沿著管440軸向地(亦即，在z方向上)延伸。在x-y平面中，該四個磁性結構圍繞管440實質上均勻地分佈。如同波盪器24a、24c一樣，該四個週期性磁性結構442a至442d之相對軸向位置可判定由波盪器模組24e產生之輻射之偏振。在圍繞波盪器模組24e之中心軸線41方位角地移動的情況下，每一週期性磁性結構(亦即，以序列442a、442d、442b、442c)係相對於先前週期性磁性結構軸向地移位達為+λu/4或-λu/4之相同量。此配置可在電子射束E傳播通過此配置時產生圓形偏振輻射，且可被稱作螺旋狀波盪器模組24e。
週期性磁性結構442a至442d中之每一者包含複數個鐵磁性元件480，線圈482圍繞該複數個鐵磁性元件480而捲繞。線圈482係由超導 材料形成，亦即，在低於其臨界溫度之溫度下表現為超導體之材料。兩個內部容器455a、455b具備第一冷卻劑系統，該第一冷卻劑系統可操作以將超導磁體總成冷卻至第一溫度。第一溫度係低於供形成線圈之材料之臨界溫度。
兩個內部容器中之每一者包含一入口及一出口(圖中未繪示)。第一冷卻劑系統可形成用於第一冷卻劑之封閉迴路。第一冷卻劑系統可操作以將第一冷卻劑供應至每一入口且自每一出口提取第一冷卻劑。因此，兩個內部容器455a、455b中之每一者內部之體積465部分地填充有第一冷卻劑。
在冷卻劑流動通過每一內部容器455a、455b時，其將自週期性磁性結構提取熱且在如此做時冷卻該等週期性磁性結構。因此，自每一內部容器455a、455b之出口提取之冷卻劑將處於比遞送至每一內部容器455a、455b之入口之冷卻劑高的溫度。第一冷卻劑系統可進一步操作以自提取自每一出口的第一冷卻劑提取熱，之後將該第一冷卻劑供應至每一入口。
第一冷卻劑可包含為超流體之液態氦。氦之沸點為4.2K(-268.9℃)。因此，第一溫度可為4.2K(-268.9℃)或低於4.2K(-268.9℃)。
第一冷卻劑系統將線圈482維持低於其臨界溫度。此情形確保線圈482具有零電阻且可在不存在經施加電壓的情況下支援電流。
鐵磁性元件480用以將在電流流動通過線圈時所產生之磁場聚焦。鐵磁性元件480可由鐵形成且可被稱作鐵軛。鐵磁性元件480可由相對軟鐵磁性材料形成。軟鐵磁性材料以相對小頑磁、窄磁滯迴路(亦即，低矯頑磁場強度)、高磁導率及高磁飽和感應而容易磁化及去磁。舉例而言，複數個鐵磁性元件480中之每一者可由具有小於500A/m之矯頑磁場強度及多於1000之最大相對磁導率之軟鐵磁性材料形成。在一些實施例中，鐵磁性元件480係由軟鐵或鐵-鈷合金形成。
在脈衝式電子射束E傳播通過光束管440時，由電子射束E產生之尾流場將產生熱。
在使用中，使第二冷卻劑循環通過管440中之冷卻通道452。此形成可操作以將光束管440冷卻至第二溫度之第二冷卻劑系統。第二溫度可高於第一溫度。
冷卻通道452可形成用於第二冷卻劑之封閉迴路之部分。在第二冷卻劑流動通過每一冷卻通道時，其將自光束管440提取熱且在如此做時冷卻該光束管440。第二冷卻劑系統可操作以自已自冷卻通道452提取的第二冷卻劑提取熱，之後將該第二冷卻劑供應至冷卻通道452。
第二冷卻劑可包含液態氮。氦之沸點為77.4K(-198.8℃)。因此，第二溫度可為77.4K(-198.8℃)或低於77.4K(-198.8℃)。氮特別適於用作第二冷卻劑，此係因為已經存在用於液化氮之技術。另外，可歸因於來自光束管440之雜散電子而產生之氮之放射性同位素(17N及13N)具有低於10分鐘之壽命。因此，使用液態氮之冷卻系統具有本質上低活動冷卻時間。可濾出由氮同位素之衰變引起的碳同位素或將該等碳同位素留在封閉系統中，此係因為此等碳同位素亦為壽命短的。
在光束管440與超導磁體總成之間提供熱障壁，如現在所描述。熱障壁經配置以縮減由於熱輻射而在光束管440與超導磁體總成之間的熱轉移。
在管440與兩個內部容器455a、455b之間提供小間隙490。有利的是，此間隙490可使超導磁體總成與管440至少部分地熱絕緣。可將該間隙490保持於真空條件下，此可改良熱絕緣之等級。此情形可藉由將外部容器250與兩個內部容器255a、255b之間的體積460維持在真空條件下來達成。另外，可運用低發射率膜塗佈界定間隙490的光束管 440及兩個內部容器455a、455b之一或多個表面。舉例而言，低發射率膜可包含金、銀或鎳。有利的是，此低發射率膜可縮減紅外線輻射自管440之發射。
外部容器450與兩個內部容器455a、455b之間的體積460(包括間隙490)可填充有絕緣材料(圖中未繪示)，諸如，多層絕緣物(MLI)。MLI可由諸如在品牌名稱聚酯薄膜(Mylar)下出售之雙軸向定向之聚對苯二甲酸伸乙酯(BoPET)箔片形成。BoPET箔片可具備鋁塗層。替代地，MLI可由鋁箔片形成。此絕緣材料可進一步縮減光束管440與超導磁體總成之間的熱轉移。
在一實施例中，光束管440與超導磁體總成之間的熱轉移<10-4W/(mK)。
光束管440由第二冷卻劑系統之冷卻抑制自光束管440至超導磁體總成之輻射熱轉移。
波盪器模組24e具備兩個分離冷卻系統：用於超導磁體總成之一個冷卻系統；及用於光束管440之一個冷卻系統。此與已知超導波盪器配置形成對比，在已知超導波盪器配置中超導電線圍繞自外部由氦冷卻之光束管而捲曲。此等先前技術設計之一個缺點為：氦冷卻效率低且因此昂貴。來自插塞之平均效率係1至1000，亦即，為了在4K下冷卻掉1焦耳能量，需要1000焦耳電。在使用本配置的情況下，使用氦來僅冷卻超導磁體總成。光束管440可經冷卻至大約77K(在1巴下之氮之沸點)之溫度或甚至冷卻至大約100K之溫度。在使用此配置的情況下，來自光束管440之尾流場熱負荷之冷卻係能量更有效率大約10倍至100倍且技術上較不具有挑戰性。
當溫度自300K減低至77K時，可供形成光束管440之金屬(例如，鋁或銅)之電導率增加達大約10至20倍。舉例而言，鋁之電阻率在300K下為2.7×10-6歐姆公分且在77K下為0.10×10-6歐姆公分，且銅 之電阻率在300K下為1.6×10-6歐姆公分且在77K下為0.16×10-6歐姆公分。因此，藉由將光束管440冷卻至為77K之第二溫度，光束管440上之尾流場熱負荷將縮減為原先的大約1/10至1/20。舉例而言，光束管440上之尾流場熱負荷可自100W/m縮減至5W/m。又，此情形縮減光束管440所需要之總冷卻。來自電子射束E之尾流場損耗之此縮減亦引起自由電子雷射之轉換效率增加，此係因為較小能量展度被引入於電子射束E中。
當溫度自300K減低至77K時，可供形成光束管440之金屬(例如，鋁或銅)之熱導率增加達大約2倍。舉例而言，鋁之熱導率在300K下為~200W/(Km)且在77K下為~700W/(Km)，且銅之熱導率在300K下為~400W/(Km)且在77K下為~600W/(Km)。因此，在低溫度下易於將熱傳導遠離光束管440。
此外，來自金屬之除氣將在低溫度下減慢。舉例而言，氫之除氣可縮減為原先的大約1/100。有利的是，較小除氣意謂將中心鑽孔470(電子射束E傳播通過中心鑽孔470)中之離子之濃度維持給定等級需要較小抽汲。
儘管將管440維持處於高真空，但來自電子射束E之高能量電子亦可由光束管440內之殘餘氣體分子(例如)經由拉塞福散射而散射。此等散射電子可擊中波盪器模組24e之超導磁體總成。在此等散射電子移動通過物質時，其將經由電磁力而與該物質相互作用，從而產生較低能量電子及光子之電磁簇射或級聯。
波盪器模組24e對來自光束管440之輻射(尤其是高能量電子及光子)相對不敏感。由超導磁體總成吸收之大多數能量係由鐵磁性元件480吸收。能量之僅相對小分率(例如，大約0.1%)係由線圈482吸收，且此通常在顯著速率下不足以損害線圈482。
雖然已將輻射源SO之實施例描述並描繪為包含一自由電子雷射 FEL，但應瞭解，輻射源可包含任何數目個自由電子雷射FEL。舉例而言，輻射源可包含一個以上自由電子雷射FEL。
儘管微影系統LS之所描述實施例包含八個微影裝置LA1至LA8，但微影系統LS可包含任何數目個微影裝置。舉例而言，形成微影系統LS之微影裝置之數目可取決於自輻射源SO輸出之輻射量及在光束分裂裝置19中損耗之輻射量。另外或替代地，形成微影系統LS之微影裝置之數目可取決於微影系統LS之佈局及/或複數個微影系統LS之佈局。
微影系統LS之實施例亦可包括一或多個光罩檢測裝置MIA及/或一或多個空中檢測量測系統(AIMS)。在一些實施例中，為允許一些冗餘，微影系統LS可包含複數個光罩檢測裝置。此情形可允許在一光罩檢測裝置被修復或經歷維修時使用另一光罩檢測裝置。因此，一個光罩檢測裝置始終可供使用。光罩檢測裝置相比於微影裝置可使用較低功率輻射光束。另外，應瞭解，使用本文所描述之類型之自由電子雷射FEL而產生之輻射可用於除了微影或微影相關應用以外的應用。
應進一步瞭解，包含如上文所描述之波盪器之自由電子雷射可用作用於數個用途(包括但不限於微影)之輻射源。
術語「相對論電子」應被解譯為意謂具有相對論能量之電子。電子可被認為在其動能比得上或大於其靜止質量能量(511keV，以自然單位計)時具有相對論能量。實務上，形成自由電子雷射之部分之粒子加速器可將電子加速至比其靜止質量能量大得多的能量。舉例而言，粒子加速器可將電子加速至>10MeV、>100MeV、>1GeV或更大的能量。
已在輸出EUV輻射光束之自由電子雷射FEL之內容背景中描述了本發明之實施例。然而，自由電子雷射FEL可經組態以輸出具有任何 波長之輻射。因此，本發明之一些實施例可包含輸出不為EUV輻射光束之輻射光束之自由電子。
術語「EUV輻射」可被認為涵蓋具有在4奈米至20奈米之範圍內(例如，在13奈米至14奈米之範圍內)之波長之電磁輻射。EUV輻射可具有小於10奈米之波長，例如，在5奈米至10奈米之範圍內之波長(諸如，6.7奈米或6.8奈米)。
微影裝置LA1至LA8可用於IC製造中。替代地，本文所描述之微影裝置LA1至LA8可具有其他應用。可能之其他應用包括製造整合式光學系統、用於磁疇記憶體之導引及偵測圖案、平板顯示器、液晶顯示器(LCD)、薄膜磁頭等等。
雖然上文已描述本發明之特定實施例，但應瞭解，可以與所描述之方式不同的其他方式來實踐本發明。以上描述意欲為說明性而非限制性的。因此，對於熟習此項技術者將顯而易見，可在不脫離下文所闡明之申請專利範圍之範疇的情況下對所描述之本發明進行修改。
24a‧‧‧第一波盪器
40‧‧‧光束管
41‧‧‧中心軸線
42a‧‧‧週期性磁性結構
42b‧‧‧週期性磁性結構
44‧‧‧永久磁體
46‧‧‧間隔元件
48‧‧‧鐵磁性元件
52‧‧‧冷卻通道

Claims (20)

  1. 一種用於沿著一週期性路徑來導引一電子射束之波盪器(undulator)，該波盪器包含：沿著該波盪器軸向地延伸之一或多個週期性磁性結構，每一週期性磁性結構包含複數個磁體(magnets)及複數個被動鐵磁性元件，該複數個磁體與該複數個被動鐵磁性元件在一軸向方向上延伸之一線中交替地配置；及複數個間隔元件，其中該複數個磁體中之每一者與由該電子射束遵循之該週期性路徑空間地分離且藉由該複數個間隔元件中之一者而使該複數個磁體中之一或多者與該週期性路徑分離，其中該等被動鐵磁性元件中之每一者自一鄰近磁體朝向由該電子射束遵循之該週期性路徑徑向地延伸，且其中該複數個間隔元件具有為供形成該間隔元件之該材料之至少該莫里哀半徑(Moliere radius)的一徑向厚度。
  2. 如請求項1之波盪器，其中該複數個間隔元件係由一非磁性材料形成。
  3. 如請求項2之波盪器，其中該複數個間隔元件係由鎢或鉛形成。
  4. 如請求項2之波盪器，其中該複數個間隔元件係由包含原子數目在29至33、40至51及72至83之範圍內的元素之一合金形成。
  5. 如請求項1之波盪器，其中該複數個間隔元件具有大於1公分之一徑向厚度。
  6. 如請求項1之波盪器，其進一步包含供該電子射束傳遞通過之一管，該一或多個週期性磁性結構中之每一者沿著該管軸向地延伸。
  7. 如請求項6之波盪器，其中藉由該複數個間隔元件中之一者而使該複數個磁體中之每一者與該管分離。
  8. 如請求項1之波盪器，其中一給定週期性結構之該複數個磁體經配置成使得沿著該週期性磁性結構之一長度，該等磁體之偏振在正軸向方向與負軸向方向之間交替。
  9. 如請求項1之波盪器，其中在垂直於一軸向方向之一平面中，該等被動鐵磁性元件中之每一者之橫截面包含與一鄰近磁體對準之一徑向外部部分及朝向該週期性路徑延伸之一徑向內部部分。
  10. 如請求項9之波盪器，其中該徑向內部部分向內漸狹。
  11. 如請求項1之波盪器，其進一步包含該波盪器之一外部表面上之一中子吸收材料。
  12. 如請求項1之波盪器，其中該波盪器具備一冷卻劑可循環通過之一或多個冷卻通道。
  13. 如請求項12之波盪器，其中該一或多個冷卻通道提供於該複數個間隔元件中。
  14. 如請求項12之波盪器，其進一步包含供該電子射束傳遞通過之一管，該一或多個週期性磁性結構中之每一者沿著該管軸向地延伸，且其中該一或多個冷卻通道提供於該管中。
  15. 如請求項1之波盪器，其進一步包含一側上之該週期性路徑與另一側上之該等磁體及該等被動鐵磁性元件之間的一熱障壁。
  16. 如請求項15之波盪器，其中該熱障壁提供於一側上之該等間隔元件與另一側上之該等磁體及該等被動鐵磁性元件之間。
  17. 如請求項15之波盪器，其進一步包含供該電子射束傳遞通過之一管，該一或多個週期性磁性結構中之每一者沿著該管軸向地延伸，且其中該熱障壁提供於一側上之該管與另一側上之該等 磁體及該等被動鐵磁性元件之間。
  18. 如請求項15之波盪器，其中該熱障壁包含塗佈於該波盪器之一或多個表面上之一低發射率膜。
  19. 一種自由電子雷射，其包含：一電子源，其經組態以產生包含複數個相對論電子聚束(bunches of relativistic electrons)之一電子射束；及如請求項1之波盪器，其經配置以接收該電子射束且沿著一週期性路徑來導引該電子射束，使得該電子射束與該波盪器內之輻射相互作用，從而刺激輻射之發射且提供一輻射光束。
  20. 一種微影系統，其包含：一如請求項19之自由電子雷射；及至少一微影裝置，該至少一微影裝置中之每一者經配置以接收由該自由電子雷射產生之至少一輻射光束之至少一部分。
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