DE4010581A1

DE4010581A1 - Improved operating life time of pulsed gas-laser electrodes - by use of electrodes with dissimilar surface layer to have good thermal and electrical conductivity with high emission rate

Info

Publication number: DE4010581A1
Application number: DE19904010581
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Dr Bosch; Thomas Dipl Ing Dr Bregel; Joachim Dipl Phys Dr Ganz; Roland Dipl Ing Dr Michal; Karl Erdmann Dipl Phys Saeger; Ludwig Dipl Phys Dr Scheiner; Franz Dipl Phys Prein; Jurgen Dipl Ing Wiegand
Original assignee: Eltro GmbH and Co; Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
Current assignee: Eltro GmbH and Co; Doduco Solutions GmbH
Priority date: 1989-04-04
Filing date: 1990-04-02
Publication date: 1990-10-11

Abstract

The electrodes consist of a metal substrate (1) or support which can be formed by deep drawing, and a surface layer (3) of 3-20 micron thickness, pref. 5-10 micron. The surface layer consists of one or more refractory metals W, Nb, Ta, Rh or Cr, in a homogeneous mixt. or alloy, features a low electron release energy and a lower thermal and electrical conductivity than the material below it. A pref. combination is a support of Cu with the surface layer deposited directly on it. USE/ADVANTAGE - The composite electrodes allow a combination of properties which ensure more homogeneous discharges for a longer time, even for large area electrodes, reducing the sputtering of electrode material due to arc-discharges and depsn. of material on the laser windows. This increases the time required between successive maintenance services.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Elektrode mit den im Oberbe griff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.The invention is based on an electrode with those in the upper part handle of claim 1 specified features.

In Gasentladungskammern, welche in gepulsten Gas-Lasern, bei spielsweise in CO₂-Lasern oder in Excimer-Lasern verwendet wer den, hat man zwei einander gegenüberliegende, zur optischen Achse parallele Elektroden, zwischen denen die elektrischen Entladungen stattfinden, welche das in der Gasentladungskammer eingeschlossene Gas zum Aussenden der Laserstrahlung anregen. Typische Gas-Laser können im gepulsten Betrieb Impulsleistungen von einigen Megawatt und mehr erbringen, wobei typischerweise die Impulsdauer größenordnungsmäßig 50 ns und die Größe der Elektrodenfläche einige 10 cm² beträgt. Die größten Impulslei stungen erreicht man mit Excimer-Lasern. Die Gasfüllung von typischen Excimer-Lasern enthält 5 bis 10% eines aktiven Edel gases wie z. B. Krypton, 0,1 bis 0,5% eines Halogen-Gases, ins besondere Fluor oder Chlor, und ein leichtes Puffergas wie Helium oder Neon bei einem Gesamtdruck von 1,5×10⁵ bis 4×105 N/m².In gas discharge chambers, which are used in pulsed gas lasers, for example in CO ₂ lasers or in excimer lasers, there are two electrodes lying opposite one another, parallel to the optical axis, between which the electrical discharges take place, which occurs in the gas discharge chamber Excite the enclosed gas to emit the laser radiation. Typical gas lasers can produce pulse powers of a few megawatts and more in pulsed operation, the pulse duration typically being of the order of 50 ns and the size of the electrode area being a few 10 cm ² . The greatest impulse performance is achieved with excimer lasers. The gas filling of typical excimer lasers contains 5 to 10% of an active noble gas such as B. krypton, 0.1 to 0.5% of a halogen gas, in particular fluorine or chlorine, and a light buffer gas such as helium or neon at a total pressure of 1.5 × 10 ⁵ to 4 × 105 N / m ² .

An die Elektroden in Gasentladungskammern von Gas-Lasern werden unterschiedliche Anforderungen gestellt. Die grundlegende An forderung besteht darin, daß die Elektroden besonders geeignet sein müssen, Elektronen austreten zu lassen, die eine diffuse Glimmentladung ermöglichen, die sich möglichst gleichmäßig über die zur Verfügung stehende Elektrodenfläche ausbreiten soll. Bei den bekannten Gas-Lasern mit elektronegativen An teilen in der Gasatmosphäre wie z. B. Sauerstoff in CO₂- und CO-Lasern oder Fluor und Chlor in Excimer-Lasern beobachtet man jedoch häufig, daß die Gasentladung, meist in ihrer Spät phase, von einer Glimm- in eine Bogenentladung umschlägt. Dies liegt daran, daß Elektronen, die von der Vorionisations einrichtung zur Verfügung gestellt werden, sich an den elektro negativen Atomen oder Molekülen anlagern und somit nicht mehr für den Entladungsprozeß zur Verfügung stehen. Falls die Kathode nicht genügend viele Elektronen nachliefern kann, schlägt die Entladung um. Die nachteiligen Folgen solcher Bogenentladungen sind zahlreich. Zunächst einmal tragen Bogen entladungen nichts zum Laserprozeß bei, so daß die Pulslei stung stark herabgesetzt wird. Außerdem bewirken sie eine verstärkte Elektrodenerosion. Dadurch werden einerseits die Oberfläche der Elektrode aufgerauht und ihr Profil verändert, und andererseits schlägt sich das abgetragene Elektroden material zu einem beträchtlichen Teil auf den Fenstern der Entladungskammer nieder. Die Reinigung der Fenster ist bei abgeschlossenen Lasern nicht möglich und bei nichtabge schlossenen Lasern sehr aufwendig.Different requirements are placed on the electrodes in gas discharge chambers of gas lasers. The basic requirement is that the electrodes must be particularly suitable for letting out electrons that allow a diffuse glow discharge that should spread as evenly as possible over the available electrode area. In the known gas lasers with electronegative parts in the gas atmosphere such. B. oxygen in CO ₂ - and CO lasers or fluorine and chlorine in excimer lasers, however, is often observed that the gas discharge, usually in its late phase, changes from a glow discharge into an arc discharge. This is because electrons, which are made available by the preionization device, attach themselves to the electro-negative atoms or molecules and are therefore no longer available for the discharge process. If the cathode cannot supply enough electrons, the discharge changes. The adverse consequences of such arc discharges are numerous. First of all, arc discharges contribute nothing to the laser process, so that the pulse power is greatly reduced. They also cause increased electrode erosion. As a result, on the one hand the surface of the electrode is roughened and its profile is changed, and on the other hand a considerable part of the removed electrode material is deposited on the windows of the discharge chamber. The cleaning of the windows is not possible with closed lasers and very complex with non-closed lasers.

Da vereinzelte Bogenentladungen nie völlig auszuschließen sind, muß der Elektrodenwerkstoff eine möglichst geringe Sputter neigung aufweisen. Außerdem wird von dem Werkstoff verlangt, daß er eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, um eine möglichst schnelle Ausbreitung des angelegten Spannungspulses über die gesamte Elektrodenoberfläche zu gewährleisten. Since occasional arc discharges can never be completely ruled out, the electrode material must have the lowest possible sputtering have a tendency. In addition, the material is required that it has a high electrical conductivity to a spread of the applied voltage pulse as quickly as possible to ensure over the entire electrode surface.

Eine weitere Anforderung an den Elektrodenwerkstoff ist eine möglichst hohe thermische Leitfähigkeit, die verhindert, daß sich bei hohen Pulsfrequenzen heiße Stellen (hot spots) auf der Elektrode bilden, die Fußpunkt von Bogenentladungen sein und einbrennen können. Schließlich spielen chemische Reaktionen an der Elektrodenoberfläche eine bedeutende Rolle. Eine ört lich auftretende, starke Erhitzung des Gases kann zu Dissozia tionen und chemischen Umwandlungen in dem Gas führen und dessen Eigenschaften ändern. So kann beispielsweise in einem CO₂-Laser, dessen Gasentladungskammer CO₂-Gas mit kleineren Anteilen Stick stoff und Helium unter einem Druck von 1,0×10⁵ bis 1,5×10⁵ N/m² enthält, CO₂ dissoziieren, wodurch außerordentlich reaktions freudiger Sauerstoff entsteht, der seinerseits mit dem Werkstoff der Elektroden oder der Kammerwände reagieren oder sich mit dem in der Gasfüllung enthaltenen Stickstoff zu Stickoxiden umsetzen kann, die ihrerseits wieder elektronegativ sind und der Entla dung Elektronen entziehen. Die Elektroden in einem CO₂-Laser müssen deshalb nicht nur möglichst passiv gegenüber den Füll gasen der Gasentladungskammer sein, damit weder die Füllgase noch die Elektrodenoberfläche durch Wechselwirkung miteinander chemisch umgewandelt werden, vielmehr kommt es auch darauf an, daß die Elektroden eine gute Sauerstoffverträglichkeit haben. Darunter versteht man, daß in der Gasentladungskammer bis zu einem möglichst hohen Sauerstoffpartialdruck keine Lichtbogen überschläge zwischen den Elektroden auftreten sollen.Another requirement for the electrode material is the highest possible thermal conductivity, which prevents hot spots (hot spots) from being formed on the electrode at high pulse frequencies, which can be the base of arc discharges and burn in. After all, chemical reactions on the electrode surface play an important role. A locally occurring, strong heating of the gas can lead to dissociations and chemical conversions in the gas and change its properties. For example, in a CO ₂ laser whose gas discharge chamber contains CO ₂ gas with small amounts of nitrogen and helium under a pressure of 1.0 × 10 ⁵ to 1.5 × 10 ⁵ N / m ² , CO _{2 can} dissociate, which creates extraordinarily reactive oxygen, which in turn can react with the material of the electrodes or the chamber walls or can react with the nitrogen contained in the gas filling to nitrogen oxides, which in turn are electronegative and remove electrons from the discharge. The electrodes in a CO ₂ laser must therefore not only be as passive as possible with respect to the filling gases in the gas discharge chamber, so that neither the filling gases nor the electrode surface are chemically converted by interaction with one another, but it is also important that the electrodes have good oxygen compatibility . This means that no arcing should occur between the electrodes in the gas discharge chamber up to the highest possible partial oxygen pressure.

Weil das Laser-Gas im Verlauf der Gasentladungen mit der Elek trodenoberfläche und mit abgesputtertem Elektrodenmaterial in Wechselwirkung tritt und weil abgesputtetes Elektroden material sich auf den Fenstern der Laserkammer nieder schlägt, ist das Material der Laser-Elektroden nicht nur bestimmend für die Lebensdauer der Elektroden selbst, deren Form sich mit dem Elektrodenabbrand ändert, sondern auch für die Lebensdauer des Laser-Gases und der Laser- Optik. Für den Einsatz von Gas-Lasern in der industriellen Fertigung ist es jedoch wichtig, daß die Wartungsintervalle möglichst lang sind. Bei einem typischen Excimer-Laser mit einer Argon-Fluor-Gasfüllung ist nach ungefähr 1000 Betriebs stunden eine Wartung fällig, bei welcher die Gasfüllung er neuert und die Fenster gereinigt werden. Dadurch kommt es zu beträchtlichen Ausfallzeiten nicht nur durch die Dauer der eigentlichen Wartungsarbeiten, sondern auch dadurch, daß die Elektroden nach jeder Erneuerung der Gasfüllung erneut passiviert werden müssen. Die Passivierungszeit verlängert sich mit jedem Gaswechsel. Unter der Passivierungszeit ver steht man diejenige Zeit, die nach einem Gaswechsel benötigt wird, um die Nenn-Ausgangsleistung wieder zu erreichen. Sie liegt je nach Elektrodenwerkstoff zwischen 1 Stunde und 2 Tagen.Because the laser gas with the elec surface and with sputtered electrode material in Interaction occurs and because of sputtered electrodes material settled on the windows of the laser chamber strikes, the material of the laser electrodes is not only determining the life of the electrodes themselves, whose shape changes with the electrode erosion, but also for the life of the laser gas and the laser Optics. For the use of gas lasers in industrial Manufacturing, however, it is important that the maintenance intervals are as long as possible. With a typical excimer laser an argon-fluorine gas charge is after about 1000 operating hours of maintenance due to gas filling renewed and the windows cleaned. That’s what happens to significant downtime not just by duration the actual maintenance work, but also in that the electrodes every time the gas filling is renewed have to be passivated. The passivation time is extended with every gas change. Under the passivation time ver you stand the time that it takes after a gas change to reach the nominal output power again. they is between 1 hour and 2 depending on the electrode material Days.

Um eine möglichst gleichmäßige Gasentladung zwischen den Elektroden zu erhalten, ist es bekannt, als Gestalt für die Elektroden ein Rogowski-Profil zu wählen. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß sich dadurch allein das Ausbilden von Entladungszonen mit unterschiedlich hoher Energiedichte nicht ausschließen läßt.To ensure that the gas discharge between the Obtaining electrodes, it is known as a shape for the Electrodes to choose a Rogowski profile. The experience has However, it is shown that the formation of Discharge zones with different energy densities does not rule out.

Aus der DE-A-36 42 749 sind Elektroden bekannt, in deren Oberfläche zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Gasentladung und einer möglichst hohen Lebensdauer ver schiedene Substanzen fein verteilt nebeneinander vorliegen. Z. B. werden in eine Grundsubstanz mit guter elektrischer Leitfähigkeit wie Kupfer 0,1 µm bis 100 µm große Partikel aus einem anderen Material eingelagert, das eine niedrigere Elektronenaustrittsarbeit besitzt. Die Oberfläche dieser Elektroden ist also heterogen aufgebaut. Ergänzend ist eine gewisse Oberflächenrauhigkeit vorgesehen, die durch lokale Feldstärkeerhöhung den Elektronenaustritt durch verstärkte elektrische Feldemission begünstigt.From DE-A-36 42 749 electrodes are known, in their Surface to achieve the most uniform possible Gas discharge and the longest possible service life different substances are finely distributed next to each other. For example, be in a basic substance with good electrical Conductivity like copper 0.1 µm to 100 µm particles stored from a different material, the lower one Possesses electron work functions. The surface of this So electrodes are heterogeneous. Complementary is one certain surface roughness provided by local Field strength increase the electron exit through increased electrical field emission favors.

Die unterschiedlichen Anforderungen an die Elektroden sind im allgemeinen nicht miteinander vereinbar. Für Excimer-Laser werden gegenwärtig zumeist Elektroden aus Nickel oder aus Messing verwendet. Bekannt sind auch vernickelte Aluminium- Elektroden (DE-A-38 17 145). Elektroden aus Messing haben eine typische Lebensdauer von 4000 Betriebsstunden. Für CO₂- Laser sind Nickelelektroden gebräuchlich. Vorgeschlagen wur den auch Elektroden aus Wolfram, Aluminium, Edelstahl, Iridium, Gold oder Platin (W.J. Witteman, "The CO₂Laser", Springer- Verlag 1987, S. 105), die jedoch alle ihre Nachteile haben. Werkstoffe mit guter elektrischer Leitfähigkeit wie Gold, Platin, Silber, Kupfer und Aluminium haben kein besonders gutes Elek tronenemissionsvermögen und zum Teil ist auch ihre Beständig keit gegenüber verschiedenen Füllgasen nicht besonders gut; außerdem zeigen sie hohe Sputter-Raten. Übergangsmetalle wie Molybdän und Wolfram haben zwar ein günstiges Elektronen emissionsvermögen, aber eine schlechte elektrische Leitfähig keit und lassen sich nur sehr schwer formgebend bearbeiten (die Herstellung einer Wolframelektrode für einen CO₂-Hoch leistungslaser würde schätzungsweise eine Woche in Anspruch nehmen), so daß dieser Weg als Alternative praktisch aus scheidet.The different requirements for the electrodes are generally not compatible with one another. Electrodes made of nickel or brass are mostly used for excimer lasers. Nickel-plated aluminum electrodes are also known (DE-A-38 17 145). Brass electrodes have a typical lifespan of 4000 operating hours. Nickel electrodes are used for CO ₂ lasers. Electrodes made of tungsten, aluminum, stainless steel, iridium, gold or platinum were also proposed (WJ Witteman, "The CO ₂ Laser", Springer Verlag 1987, p. 105), but they all have their disadvantages. Materials with good electrical conductivity such as gold, platinum, silver, copper and aluminum do not have particularly good electron emissivity and in some cases their resistance to various filler gases is not particularly good; they also show high sputtering rates. Transition metals such as molybdenum and tungsten have a favorable electron emissivity, but poor electrical conductivity and are very difficult to shape (it would take an week to produce a tungsten electrode for a high-power CO ₂ laser), so this Practically eliminated as an alternative.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Elektroden für gepulste Gas-Laser zu schaffen, die eine noch gleichmäßigere, diffuse Entladung ermöglichen und eine längere Lebensdauer so wohl der Gasfüllung als auch der Elektroden selbst zur Folge haben und trotz der für Gas-Laser verlangten großen Elektroden abmessungen (Elektrodenfläche bis zu einigen dm² und Elek trodenlänge in der Größenordnung von 1 m) ohne größere Schwierig keiten herzustellen sind.The present invention has for its object to provide electrodes for pulsed gas lasers that allow even more uniform, diffuse discharge and have a longer life as well as the gas filling as well as the electrodes themselves and despite the large required for gas lasers Electrode dimensions (electrode area up to a few dm ² and electrode length in the order of 1 m) can be produced without major difficulties.

Diese Aufgabe wird gelöst durch Elektroden mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Ein vorteilhaftes Verfahren zum Her stellen solcher Elektroden ist im Anspruch 13 angegeben. Vor teilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by electrodes with the in the claim 1 specified characteristics. An advantageous method for manufacturing provide such electrodes is specified in claim 13. Before partial developments of the invention are the subject of Subclaims.

Die erfindungsgemäßen Elektroden vereinigen in sich eine Kombination von Merkmalen, die für sich teilweise bekannt gewesen sind, aber in ihrer Kombination zu unerwartet günstigen Eigenschaften der Elektroden führen. So hat es sich beispielsweise gezeigt, daß mit Wolfram beschichtete Kupferelektroden in CO₂-Lasern erst bei einem 4× so hohen Sauerstoffpartialdruck zu Lichtbogenüberschlägen neigen wie die sonst üblicherweise verwendeten Nickelelektroden, denen die mit Wolfram beschichteten Kupferelektroden auch in der Elektronenemission, in der Gleichmäßigkeit der Gasentladung und in der Lebensdauer überlegen sind.The electrodes according to the invention combine a combination of features that have been known in part, but in their combination lead to unexpectedly favorable properties of the electrodes. It has been shown, for example, that tungsten-coated copper electrodes in CO ₂ lasers only tend to flash over at a 4 × higher partial pressure of oxygen than the otherwise commonly used nickel electrodes, to which the copper electrodes coated with tungsten also have a uniform emission in terms of electron emission Gas discharge and are superior in life.

In Abkehr von der Lehre der DE-A-36 42 749 haben die er findungsgemäßen Elektroden eine homogene Oberflächenschicht, deren Zusammensetzung danach ausgewählt wird, daß sie mit der Gasatmosphäre, in welcher sie bestimmungsgemäß arbeiten soll, verträglich ist, daß sie in dieser Gasatmosphäre einen möglichst geringen Abbrand zeigt und unter diesen einschränkenden Bedingungen ein möglichst gutes Elektronen emissionsvermögen hat.In departure from the teaching of DE-A-36 42 749, he did electrodes according to the invention have a homogeneous surface layer, the composition of which is selected so that it the gas atmosphere in which they work as intended should be tolerated that they are in this gas atmosphere shows as little burn as possible and among them restricting conditions the best possible electron has emissivity.

Die Oberflächenschicht soll erfindungsgemäß nicht dicker als 20 µm sein. Man braucht deshalb bei der Auswahl des Werkstoffs für die Oberflächenschicht auf dessen elektrische Leitfähig keit keine besondere Rücksicht zu nehmen. Den für die kurzzeitige Bereitstellung der Impulsenergie erforderlichen elektrischen Leitwert kann man vielmehr durch die Auswahl des Träger-Werk stoffs und/oder durch die Auswahl des Materials für eine gegebenen falls vorgesehene Zwischenschicht sicher stellen. Im übrigen er folgt die Auswahl des Trägerwerkstoffs im wesentlichen nur unter zwei Gesichtspunkten, nämlich zum einen unter dem Gesichtspunkt einer leichten Bearbeitbarkeit des Materials (es soll er findungsgemäß tiefziehfähig sein) und zum anderen nach der Korrosionsbeständigkeit gegen das Lasergas. Die Korrosions beständigkeit ist wichtig, wenn - wie es zweckmäßig ist - die Beschichtung nur auf der aktiven Elektrodenoberfläche erfolgt und dadurch kein vollständiger Schutz des Trägers gegeben ist. Die Wärmeleitfähigkeit kann ergänzend ein Aus wahlkriterium sein, wenn eine gut wärmeleitende Zwischen schicht fehlt und die durch die Gasentladung erzeugte Wärme durch den Träger selbst verteilt und abgeleitet werden muß. Je niedriger durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht oder - wenn sie fehlt - des Trägers die Temperatur der Elektrodenober fläche gehalten werden kann, desto geringer ist der Abbrand (Sputterrate) im Betrieb. Je geringer der Abbrand ist, desto weniger Elektrodenmaterial kann sich auf den Fenstern der Laserkammer niederschlagen, so daß die Lebensdauer steigt und die Wartungsintervalle länger werden. In der gleichen Richtung wirkt eine gut wärmeleitende Zwischenschicht bzw. - wenn sie fehlt - ein gut wärmeleitender Träger auch des halb, weil die gute Wärmeleitfähigkeit i.d.R. mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit einhergeht, welche gleich mäßigere Entladungen begünstigt und dadurch die Neigung zur Bildung von Bogenentladungen herabsetzt. Mit sinkender Ober flächentemperatur sinkt zwar das Elektronenemissionsvermögen, doch ist das kein Nachteil, da durch den erfindungsgemäßen Schichtaufbau der Elektrode ein Werkstoff mit hohem Elektronen emissionsvermögen, insbesondere Wolfram, die Oberfläche bilden kann. Eine Ausnahme bildet der Fluorid-Excimer-Laser. Hier scheidet Wolfram als Elektrodenwerkstoff aus, da leicht ver dampfendes WF₆ gebildet wird, welches die Fenster des Entladungs gefäßes verunreinigt. Durch Wahl eines weniger gut leitenden Werkstoff für die Zwischenschicht bzw. - wenn sie fehlt - für den Träger kann, wenn gewünscht, eine Erwärmung der Elektrode auf eine höhere Temperatur bewirkt werden, um dadurch die Elektronenemission zu begünstigen. Dadurch, daß man die Anforde rungen an die Elektroden teils durch Auswahl des Werkstoffs für den Träger, teils durch Auswahl des Werkstoffs für die Deckschicht, und ggfs. noch durch Auswahl des Werkstoffs für eine Zwischen schicht erfüllt, kann man für unterschiedliche Lasertypen zu optimalen, fortschrittlichen Elektrodenaufbauten kommen. Zur Verwendung in CO₂-Lasern sind hinsichtlich der chemischen Ver träglichkeit praktisch alle Materialien für die Oberflächen schicht geeignet, die im Anspruch 1 genannt sind, da der CO₂-Laser keine aggressiven Gase enthält. Mit dem durch Dissoziationen entstehenden reaktionsfreudigen Sauerstoff reagieren diese Werkstoffe nur träge. Besonders geeignet ist das bereits genannte Wolfram.According to the invention, the surface layer should not be thicker than 20 μm. It is therefore not necessary to take any particular account of the electrical conductivity of the material for the surface layer. The electrical conductance required for the short-term provision of the pulse energy can rather be ensured by the selection of the carrier material and / or by the selection of the material for a given intermediate layer, if any. For the rest, he selects the carrier material essentially only from two points of view, namely firstly from the point of view that the material is easy to work with (it should be thermoformed according to the invention) and secondly according to the corrosion resistance to the laser gas. Corrosion resistance is important if - as is advisable - the coating only takes place on the active electrode surface and therefore there is no complete protection of the carrier. The thermal conductivity can also be a selection criterion if a good heat-conducting intermediate layer is missing and the heat generated by the gas discharge must be distributed and dissipated by the carrier itself. The lower the temperature of the electrode surface can be kept by a high thermal conductivity of the intermediate layer or - if it is missing - the carrier, the lower the burn-up (sputter rate) during operation. The lower the erosion, the less electrode material can be deposited on the windows of the laser chamber, so that the service life increases and the maintenance intervals become longer. A good heat-conducting intermediate layer or - if it is missing - a good heat-conducting support also works in the same direction, because the good thermal conductivity usually goes hand in hand with good electrical conductivity, which favors even more moderate discharges and thereby reduces the tendency to form arc discharges . As the surface temperature drops, the electron emissivity decreases, but this is not a disadvantage, since the layer structure of the electrode according to the invention enables a material with high electron emissivity, in particular tungsten, to form the surface. The fluoride excimer laser is an exception. Here, tungsten is eliminated as the electrode material, since easily evaporating WF _{6 is} formed, which contaminates the windows of the discharge vessel. By choosing a less conductive material for the intermediate layer or - if it is missing - for the support, the electrode can, if desired, be heated to a higher temperature in order to favor the electron emission. By fulfilling the requirements for the electrodes, partly by selecting the material for the support, partly by selecting the material for the cover layer, and possibly also by selecting the material for an intermediate layer, it is possible to achieve optimum results for different laser types, advanced electrode designs come. For use in CO ₂ lasers practically all materials are suitable for the surface layer in terms of chemical compatibility, which are mentioned in claim 1, since the CO ₂ laser contains no aggressive gases. These materials react only sluggishly with the reactive oxygen generated by dissociations. The tungsten already mentioned is particularly suitable.

In chloridhaltigen Excimer-Lasern eignen sich für die Ober flächenschicht die genannten refraktären Werkstoffe ebenfalls besonders. In fluorhaltigen Excimer-Lasern eignen sich für die Oberflächenschicht Chrom sowie Niob, Tantal und Rhenium.In chloride-containing excimer lasers are suitable for the upper surface layer also the refractory materials mentioned especially. In fluorine-containing excimer lasers are suitable for the surface layer of chrome as well as niobium, tantalum and rhenium.

Zusammenfassend liegen die Vorteile der neuen Elektrode darin, daß man für die Elektrodenoberfläche, deren Zusammensetzung für das Elektronenaustrittsvermögen und für den Abbrand maßgebend ist, einen Werkstoff wählt, welcher in der vom Laser-Typ vor gegebenen Gasatmosphäre hinsichtlich des Elektronenaustritts vermögens und des Abbrandes optimal ist, ohne die Nachteile des gewählten Werkstoffs hinsichtlich seiner Leitfähigkeit und Bearbeitbarkeit in Kauf nehmen zu müssen. Da es sich dabei um Werkstoffe handelt, die nur schwer formgebend bearbeitet wer den können, wird ihre Verwendung angesichts der Forderungen an Größe und Form der Elektroden erst dadurch wirtschaftlich prakti kabel, daß man diese Werkstoffe in einer dünnen Schicht auf einen leicht formbaren Träger aufbringt, der bereits in die für die Elektrode gewünschte Form gebracht ist. Dabei hat man durch die Materialauswahl des Trägers bzw. einer auf ihm vorgesehenen Zwi schenschicht zusätzlich den Vorteil, daß man die nicht so gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit der Oberflächenschicht durch eine höhere elektrische und Wärmeleitfähigkeit des Trägers bzw. der Zwischenschicht kompensieren kann, solange - wie beansprucht - die mittlere Dicke der Oberflächenschicht eine bestimmte Ober grenze nicht überschreitet.In summary, the advantages of the new electrode are that one for the electrode surface, its composition decisive for the electron exit capacity and for the erosion is, chooses a material which is of the laser type given gas atmosphere with regard to the electron exit assets and the burnup is optimal, without the disadvantages of the selected material with regard to its conductivity and To have to accept machinability. Since it is are materials that are difficult to shape that can be used in view of the demands This makes the size and shape of the electrodes economically practical cable that you can put these materials in a thin layer on one easy-to-shape carrier that is already in the for the Electrode is brought to the desired shape. You have through Material selection of the wearer or an intermediate provided on it layer also has the advantage that the not so good electrical and thermal conductivity of the surface layer a higher electrical and thermal conductivity of the carrier or the intermediate layer can compensate as long as - as claimed - the average thickness of the surface layer a certain surface limit does not exceed.

Untersuchungen zeigen, daß erfindungsgemäß hergestellte Kathoden sich deutlich von Elektroden unterscheiden, die nach dem Stand der Technik gefertigt sind: Auf erfindungsgemäßen Kathoden treten hot spots viel zahlreicher auf, sind aber deutlich weniger inten siv und sehr homogen verteilt, so daß der Umschlag der erwünschten diffusen Glimmentladung in eine unerwünschte Bogenentladung weniger häufig auftritt, wodurch die Lebensdauer und die Wartungsinter valle der Laser wesentlich länger werden. Darüberhinaus hat die verringerte Neigung zu Bogenentladungen den Vorteil, daß die Dauer der Laserimpulse verlängert werden kann.Studies show that cathodes produced according to the invention differ significantly from electrodes that are of technology: step on cathodes according to the invention hot spots are much more numerous, but are significantly less intense siv and very homogeneously distributed, so that the envelope of the desired diffuse glow discharge into an undesirable arc discharge less occurs frequently, which increases the lifespan and the maintenance interval valle the lasers become much longer. In addition, the reduced tendency to arc discharges the advantage that the Duration of the laser pulses can be extended.

Für den Träger eignen sich als Werkstoffe besonders Kupfer, Aluminium, Messing, Zinnbronze und Stahl, insbesondere Edelstahl. Die Träger werden aus diesen Werkstoffen durch Tiefziehen ge formt. Dadurch kommt man - trotz einer Elektrodenoberfläche aus einem schwer zu bearbeitenden Werkstoff - am einfachsten zu den gewünschten Elektrodenformen. Die Träger müssen dann anschließend nur noch dünn beschichtet, aber nicht mehr formgebend bearbeitet werden. Das ist ein großer Vorteil gegenüber Elektroden, die aus Werkstoffen wie Kupfer-Wolfram bestehen (DE-A-38 17 145), denn solche Elektroden lassen sich in den geforderten Abmessungen nur unter großen Schwierigkeiten herstellen. Copper, aluminum, brass, tin bronze and steel, in particular stainless steel, are particularly suitable as materials for the carrier. The beams are formed from these materials by deep drawing. This one comes - despite an electrode surface made of a hard material to be processed - the easiest to the desired electrode shapes. The carriers then only have to be coated thinly, but no longer have to be shaped. This is a great advantage compared to electrodes made of materials such as copper-tungsten (DE-A-38 17 145), because such electrodes can only be manufactured with great difficulty in the required dimensions.

Die Oberflächenschicht soll mindestens 3 µm dick sein, damit sie unter dem Einfluß einer Bogenentladung nicht durchschlagen werden kann. Vorzugsweise ist sie nur zwischen 5 µm und 10 µm dick, damit ihre nicht so hohe elektrische und Wärmeleitfähig keit zur Erzielung einer gleichmäßig über die Elektrodenober fläche verteilt erfolgenden Glimmentladung und Wärmeableitung aus der Oberflächenschicht nicht zu bestimmend ist, diese vielmehr durch die höhere Leitfähigkeit des Werkstoffes unter der Ober flächenschicht noch günstig beeinflußt werden können.The surface layer should be at least 3 µm thick do not penetrate them under the influence of an arc discharge can be. It is preferably only between 5 μm and 10 μm thick, so their not so high electrical and thermal conductivity speed to achieve a uniform over the electrode top distributed glow discharge and heat dissipation the surface layer is not determinable, but rather due to the higher conductivity of the material under the upper surface layer can still be influenced favorably.

Grundsätzlich kann die Oberflächenschicht unmittelbar auf dem Träger liegen, zumal dann, wenn dieser aus Kupfer oder einem anderen tiefziehfähigen Werkstoff mit hoher elektrischer und Wärmeleitfähigkeit besteht. Vorzugsweise sieht man jedoch zwi schen dem Träger und der Oberflächenschicht eine Zwischenschicht vor aus einem Metall mit höherer elektrischer und Wärmeleitfähig keit, als sie die Oberflächenschicht, vorzugsweise auch der Träger aufweisen. Dadurch erhält man mehr Spielraum für die Werkstoff auswahl für den Träger und kann die Zwischenschicht allein danach auswählen, daß sie eine hohe elektrische und Wärmeleitfähigkeit hat, insbesondere aus Kupfer besteht; die Zwischenschicht könnte auch aus Aluminium oder Silber oder Silber-Kupfer bestehen. Die Zwischenschicht sollte mindestens 5 µm dick sein, damit sie ihrer Aufgabe, Strom und Wärme gleichmäßig über die Elektrodenfläche zu verteilen, gerecht werden kann. Aus technischen Gründen (Auf treten von Eigenspannung der Schicht und dadurch verminderte Haftung auf dem Träger) sollte sie nicht dicker sein als 20 µm; eine Dicke von 10 µm ist völlig ausreichend. Basically, the surface layer can be directly on the Carrier lie, especially if it is made of copper or a other thermoformable material with high electrical and There is thermal conductivity. Preferably, however, one sees between an intermediate layer between the carrier and the surface layer in front of a metal with higher electrical and thermal conductivity speed than the surface layer, preferably also the carrier exhibit. This gives you more scope for the material selection for the wearer and can use the intermediate layer alone afterwards choose that they have high electrical and thermal conductivity has, in particular consists of copper; the intermediate layer could also consist of aluminum or silver or silver-copper. The The intermediate layer should be at least 5 µm thick so that it is yours Task, electricity and heat evenly over the electrode surface to distribute can do justice. For technical reasons (Auf occur from internal stress of the layer and thereby diminished Adhesion to the carrier) it should not be thicker than 20 µm; a thickness of 10 µm is completely sufficient.

Vorzugsweise sorgt man dafür, daß der Übergang von der Zwischenschicht auf die Oberflächenschicht nicht abrupt, sondern allmählich erfolgt. Einen solchen fließenden Übergang von der Zwischenschicht auf die Oberflächenschicht kann man z. B. dadurch erreichen, daß man das Material für beide Schichten durch ein PVD-Verfahren abscheidet, Targets aus beiden Materialien in der Abscheidekammer anordnet und unter Aufrechterhaltung des Vakuums in der Abscheidekammer zunächst das Material für die Zwischenschicht, dann die Materialien für die Zwischenschicht und die Oberflächen schicht im Wechsel abscheidet, mit zunehmender Intensität des Materials für die Oberflächenschicht, und schließlich nur noch das Material für die Oberflächenschicht abscheidet. Die Vorteile eines solchen kontinuierlichen Übergangs liegen in einer verbesserten Haftfestigkeit der Oberflächen schicht und einer verminderten Materialabsputterung beim Betrieb des Lasers. Ein solcher fließender Übergang ist auch sinnvoll und vorteilhaft, wenn für die Zwischen schicht dasselbe Material wie für den Träger gewählt wird, um einen kontinuierlichen Übergang vom Träger auf die Oberflächenschicht zu schaffen, insbesondere in Fällen, in denen für den Träger ein Material mit hoher elektrischer und Wärmeleitfähigkeit gewählt wurde (z. B. Kupfer für eine Zwischenschicht auf einem Kupferträger gefolgt von einer Oberflächenschicht z. B. aus Wolfram). It is preferable to ensure that the transition from the Intermediate layer on the surface layer not abruptly, but takes place gradually. Such a smooth transition can from the intermediate layer to the surface layer one z. B. achieve by having the material for both Deposits layers by a PVD process, targets out arranges both materials in the separation chamber and while maintaining the vacuum in the separation chamber first the material for the intermediate layer, then the Materials for the intermediate layer and the surfaces alternating layers, with increasing intensity of the material for the surface layer, and finally only deposits the material for the surface layer. The advantages of such a continuous transition lie in an improved adhesive strength of the surfaces layer and reduced material sputtering during Operation of the laser. Such is a smooth transition also useful and beneficial if for the intermediate layer the same material as is chosen for the carrier, to make a continuous transition from the carrier to the To create surface layer, especially in cases in which for the carrier a material with high electrical and thermal conductivity was selected (e.g. copper for a Intermediate layer on a copper substrate followed by one Surface layer z. B. from tungsten).

Ein für die Herstellung erfindungsgemäßer Elektroden besonders geeignetes Verfahren ist Gegenstand des Anspruchs 13. Danach geht man am besten so vor, daß man zunächst den Träger in seiner für die Elektrode vorgesehenen endgültigen Gestalt ausbildet. Der Träger könnte massiv sein, ist aber vorzugsweise ein Profilteil, welches durch Tiefziehen hergestellt wird. Der so vorbereitete Träger muß dann nur noch beschichtet werden. Das Material für die Oberflächenschicht wird erfindungsgemäß durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) aus der Gasphase abge schieden. Die PVD-Abscheidung hat den Vorteil, daß die Ober flächenschicht eine Gestalt erhält, die mit der Gestalt der Trägeroberfläche übereinstimmt; das Oberflächenprofil des Trägers wird durch die PVD-Abscheidung nicht eingeebnet.One especially for the production of electrodes according to the invention a suitable method is the subject of claim 13. Thereafter it is best to proceed in such a way that first the carrier in its final shape intended for the electrode trains. The carrier could be solid, but is preferred a profile part, which is produced by deep drawing. The carriers prepared in this way then only have to be coated. The According to the invention, material for the surface layer is obtained by physical vapor deposition (PVD) from the gas phase divorced. The PVD separation has the advantage that the upper surface layer receives a shape that matches the shape of the Carrier surface matches; the surface profile of the carrier is not leveled by the PVD deposition.

Weil das Oberflächenprofil des Trägers durch die PVD-Abschei dung nicht eingeebnet wird, kann man für die Elektroden Träger mit einer mikrorauhen Oberfläche verwenden, die trotz der Be schichtung erhalten bleibt und die Feldelektronenemission begün stigt. Die Oberflächenschicht bedarf dazu keiner Nachbehandlung mehr, um eine definierte Mikro-Rauhigkeit einzustellen; das hat den weiteren Vorteil, daß es nicht zu einer Verunreinigung der Elektrodenoberfläche kommt, die andernfalls mit einer abtragenden Nachbehandlung verbunden wäre. Hochreine Elektrodenoberflächen sind andererseits für den Betrieb eines Gas-Lasers außerordent lich wichtig.Because the surface profile of the carrier through the PVD-Abschi If the electrode is not leveled, the electrodes can be supported use with a micro-rough surface that despite the loading stratification is maintained and the field electron emission begins increases. The surface layer does not require any post-treatment more to set a defined micro roughness; that has the further advantage that it does not contaminate the Electrode surface that otherwise comes with a abrasive Aftercare would be connected. Highly pure electrode surfaces are, on the other hand, extraordinary for the operation of a gas laser important.

Die Oberflächenschicht kann homogen aus einem der im Anspruch 1 genannten Metalle abgeschieden werden; es ist aber auch möglich, Gemenge aus den genannten Metallen abzuscheiden, wodurch eine Optimierung der Oberflächeneigenschaften möglich ist.The surface layer can be homogeneous from one of the claims in claim 1 mentioned metals are deposited; but it is also possible Separate batches from the metals mentioned, whereby a Optimization of the surface properties is possible.

Die eine oder mehrere ggfs. vorgesehene Zwischenschicht(en) können grundsätzlich nach einem beliebigen Verfahren auf den Träger aufgebracht werden, beispielsweise durch elektrolytische Abscheidung oder durch mechanische Plattierung. Vorzugsweise werden jedoch auch eventuelle Zwischenschichten durch PVD-Ab scheidung erzeugt, um den Vorteil zu erhalten, daß erstens keine unerwünschten Substanzen in die Schichten gelangen, diese vielmehr rein bleiben, und zweitens das Profil der Trägeroberfläche nicht eingeebnet wird. Zusammengenommen sollten die auf den Träger aufgebrachten Schichten nicht mehr als 50 µm dick sein.The one or more intermediate layer (s) that may be provided can in principle by any method on the Carrier are applied, for example by electrolytic Deposition or by mechanical plating. Preferably However, any intermediate layers are also caused by PVD-Ab divorce generated to get the advantage that first no unwanted substances get into the layers, rather they remain pure, and secondly the profile of the Carrier surface is not leveled. Taken together should the layers applied to the carrier no longer than 50 µm thick.

Ein besonders günstiges Abscheideverfahren ist das Magnetron- Sputtern; dabei wird das elektrische Feld der Glimmentladung zusätzlich durch ein Magnetfeld überlagert. Man erreicht dadurch über eine Steigerung der Zerstäubungsrate wirtschaft licher relativ dicke und gleichmäßige Schichten.A particularly favorable deposition process is the magnetron Sputtering; the electric field of the glow discharge additionally superimposed by a magnetic field. You get there thereby increasing the atomization rate economy licher relatively thick and even layers.

Vor ihrer Verwendung in der Gasentladungskammer werden die erfindungsgemäßen Elektroden vorzugsweise konditioniert und dadurch in ihren Eigenschaften stabilisiert. Dieses Konditionieren erfolgt in einer Gasatmosphäre, die dieselben Bestandteile hat wie die Atmosphäre, in welcher die Elektroden bestimmungsgemäß eingesetzt werden sollen, oder von diesen Bestandteilen wenigstens jene, die für die Stabilisierung der Elektroden wesentlich sind, für einen Excimer-Laser also wenigstens das Halogen, für einen CO₂-Laser Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid und/oder Sauerstoff, für einen CO-Laser Kohlenmonoxid und/oder Sauerstoff, für Stickstoff- Laser Stickstoff und/oder Sauerstoff; siehe Ansprüche 18 bis 22, in welchen zugleich die für den jeweiligen Zweck besonders geeigneten Metalle für die Oberflächenschicht an gegeben sind. Diese Gase, in denen die Konditionierung vor genommen wird, müssen nicht in derselben Konzentration vor liegen wie in der Gasentladungskammer des Lasers, vielmehr kann man die Zusammensetzung der Gasatmosphäre und die Konzentration ihrer Bestandteile so wählen, wie es für eine möglichst rasche Stabilisierung der Elektroden am günstigsten ist. In aller Regel wird man die Konzentration der für die Stabilisierung wesentlichen Bestandteile höher wählen als in der Gasentladungskammer des Lasers. Auch der Gasdruck kann bei der Konditionierung durchaus ein anderer sein als in der Laserkammer, in der Regel ein geringerer als bei dem be stimmungsgemäßen Einsatz der Elektroden. Dadurch, daß die Konditionierung bereits in der Beschichtungskammer vorgenommen wird, kann sie schneller ablaufen als in einer Laser-Kammer. Weiterhin ist vorteilhaft, daß man sich auf diese Weise den sonst in der Laser-Kammer durchzuführenden Einbrenn prozeß (Burn-In-Prozeß) sparen kann, der je nach Typ des Lasers mehrere 100 000 Pulse in Anspruch nehmen kann.Before being used in the gas discharge chamber, the electrodes according to the invention are preferably conditioned and their properties are thereby stabilized. This conditioning takes place in a gas atmosphere which has the same components as the atmosphere in which the electrodes are to be used as intended, or at least those components which are essential for the stabilization of the electrodes, i.e. at least the halogen for an excimer laser, for a CO ₂ laser, carbon dioxide and / or carbon monoxide and / or oxygen, for a CO laser, carbon monoxide and / or oxygen, for a nitrogen laser, nitrogen and / or oxygen; see claims 18 to 22, in which at the same time the metals which are particularly suitable for the respective purpose are given for the surface layer. These gases, in which the conditioning is carried out, do not have to be in the same concentration as in the gas discharge chamber of the laser, rather you can choose the composition of the gas atmosphere and the concentration of its components in such a way that the electrodes are stabilized as quickly as possible is cheapest. As a rule, the concentration of the constituents essential for stabilization will be chosen higher than in the gas discharge chamber of the laser. Also the gas pressure can be quite different when conditioning than in the laser chamber, usually a lower one than when the electrodes are used as intended. Because the conditioning is already carried out in the coating chamber, it can run faster than in a laser chamber. It is also advantageous that one can save in this way the burn-in process (burn-in process) which would otherwise have to be carried out in the laser chamber and which, depending on the type of laser, can take several 100,000 pulses.

Im Verlauf des Konditionierungsprozesses bildet sich in der Oberflächenschicht eine Passivierungsschicht aus, in welcher Bestandteile des Gases, in dem die Konditionierung stattge funden hat, teils physikalisch und teils chemisch an die Atome des für die Oberflächenschicht verwendeten Metalls ge bunden sind. So bildet sich z. B. beim Konditionieren einer Wolfram-Schicht in einem Laser mit Kohlendioxid-, Kohlen monoxid- oder Sauerstoffatmosphäre eine Passivierungsschicht aus, in welcher verschiedene Wolframoxide vorliegen, in der Tiefe beginnend mit WO, nach oben hin zunehmend WO₂ und WO₃. Entsprechend können sich bei stickstoffhaltiger Atmosphäre Nitride bilden. Die Passivierungsschicht ist wichtig für die Leistungsfähigkeit des Lasers. Die passivierte Ober fläche hat eine geringere Elektronenaustrittsarbeit als die rein metallische Oberfläche. Die Dicke der Passivierungs schicht hängt ab von der Dauer der Behandlung in dem Gas; vorzugsweise sollte sie ungefähr 100 nm dick sein.In the course of the conditioning process, a passivation layer forms in the surface layer, in which constituents of the gas in which the conditioning has taken place are partly physically and partly chemically bound to the atoms of the metal used for the surface layer. So z. B. when conditioning a tungsten layer in a laser with carbon dioxide, carbon monoxide or oxygen atmosphere from a passivation layer in which various tungsten oxides are present, in depth beginning with WO, upwards increasing WO ₂ and WO ₃ . Correspondingly, nitrides can form in a nitrogenous atmosphere. The passivation layer is important for the performance of the laser. The passivated surface has a lower electron work function than the purely metallic surface. The thickness of the passivation layer depends on the duration of the treatment in the gas; preferably it should be approximately 100 nm thick.

Kurze Beschreibung der Zeichnung:Brief description of the drawing:

Fig. 1 zeigt eine massive Elektrode im Querschnitt, und Fig. 1 shows a solid electrode in cross section, and

Fig. 2 zeigt eine weitere Elektrode im Querschnitt, welche einen Träger hat, der durch Tiefziehen eines Blechs geformt.ist. Fig. 2 shows a further electrode in cross section, which has a carrier which is formed by deep-drawing a sheet.

In beiden Fällen handelt es sich um langgestreckte Elektroden. Im Beispiel gemäß Fig. 1 ist der Träger 1 ein massives Teil aus einem tiefziehfähigen Metall, welches auf der Rückseite, die keiner Beschichtung bedarf, durch eine ebene Oberfläche und auf der Vorderseite durch eine gewölbte Oberfläche, bei spielsweise durch eine zylindermantelförmige Oberfläche be grenzt ist, welche eine Zwischenschicht 2 und auf dieser eine Oberflächenschicht 3 trägt, aus welcher die für die Gasent ladung benötigten Elektronen austreten.In both cases, the electrodes are elongated. In the example shown in FIG. 1, the carrier 1 is a solid part made of a deep-drawable metal, which is delimited on the rear side, which does not require any coating, by a flat surface and on the front side by a curved surface, for example by a cylindrical jacket-shaped surface , Which carries an intermediate layer 2 and on this a surface layer 3 , from which the electrons required for gas discharge emerge.

Die Elektrode gemäß Fig. 2 hat im Prinzip den gleichen Schicht aufbau, doch hat sie anstelle eines massiven Trägers einen ver hältnismäßig dünnen Träger, welcher durch Tiefziehen aus einem Blech geformt wurde und deshalb keine ebene, sondern eine konkave Rückseite hat.The electrode of Fig. 2 has a basic construction the same layer, but it has instead of a solid carrier a ver thin proportionate carrier, which was formed by deep drawing from a metal sheet and therefore not flat, but has a concave rear face.

Examples: Example 1

Die Elektrode hat einen Träger der in Fig. 1 dargestellten Gestalt aus Kupfer mit einer 3 µm dicken Oberflächenschicht aus Wolfram, welche auf dem Träger durch Sputtern abgeschieden wurde. Eine Zwischenschicht ist nicht vorhanden. Die Elektrode wird konditioniert, indem sie in einer heliumreichen Atmosphäre, welche Kohlenmonoxid enthält, elektrischen Entladungen ausge setzt wird, und zwar bei Gasdrücken, Entladespannungen und Strömen, die gegenüber den Verhältnissen in einem CO₂-Laser reduziert sind. The electrode has a carrier of the shape shown in FIG. 1 made of copper with a 3 μm thick surface layer made of tungsten, which was deposited on the carrier by sputtering. There is no intermediate layer. The electrode is conditioned by being subjected to electrical discharges in a helium-rich atmosphere which contains carbon monoxide, namely at gas pressures, discharge voltages and currents which are reduced compared to the conditions in a CO ₂ laser.

Example 2

Es wird eine Elektrode hergestellt mit einem Träger aus einem tiefgezogenen Kupferblech wie in Fig. 2 dargestellt. Dieser Träger wird wie im Beispiel 1 beschichtet und konditioniert.An electrode is produced with a carrier made from a deep-drawn copper sheet as shown in FIG. 2. This carrier is coated and conditioned as in Example 1.

Example 3

Es wird eine Elektrode mit einem Träger aus Edelstahl herge stellt, welcher eine Gestalt wie in Fig. 1 oder 2 hat. Auf diesem Träger wird durch PVD-Abscheidung zunächst eine 5 µm dicke Kupferzwischenschicht und dann eine 3 µm dicke Oberflächen schicht aus Wolfram abgeschieden. Die Konditionierung der Elektrode erfolgt wie im Beispiel 1 mit der Maßgabe, daß die Atmosphäre als zusätzlichen Bestandteil etwas Sauerstoff ent hält.There is an electrode with a carrier made of stainless steel Herge, which has a shape as in Fig. 1 or 2. A 5 µm thick copper intermediate layer and then a 3 µm thick surface layer made of tungsten are deposited on this carrier by means of PVD deposition. The conditioning of the electrode is carried out as in Example 1 with the proviso that the atmosphere contains some oxygen as an additional component.

Die Elektroden aus den Beispielen 1, 2 und 3 eignen sich für die Verwendung in CO₂-Lasern.The electrodes from Examples 1, 2 and 3 are suitable for use in CO ₂ lasers.

Example 4

Ein Träger 1 aus Aluminium mit der in Fig. 1 oder 2 wieder gegebenen Gestalt wird zur Bildung einer Anode für einen ArF-Excimer-Laser mit einer 3 µm dicken Oberflächenschicht aus Chrom beschichtet. Die Beschichtung erfolgt nach einem PVD-Verfahren. Eine Zwischenschicht ist nicht vorgesehen. A carrier 1 made of aluminum with the shape shown in FIG. 1 or 2 is coated with a 3 μm thick surface layer made of chrome to form an anode for an ArF excimer laser. The coating takes place according to a PVD process. An intermediate layer is not provided.

Example 5

Es wird eine Elektrode mit einem Träger aus Aluminium oder Edelstahl hergestellt, welcher eine Gestalt wie in Fig. 1 oder 2 hat. Auf diesem Träger wird durch Magnetron-Sputtern eine Zwischenschicht aus Kupfer in einer Dicke von ca. 8 µm aufgebracht. Ohne Änderung des Vakuums in der Abscheidekammer wird dann eine ca. 10 µm dicke Wolframschicht auf die Zwischen schicht gebracht. Hierbei sorgt man vorzugsweise für einen kontinuierlichen Übergang von der Kupferzwischenschicht in die Wolfram-Oberflächenschicht, wodurch deren Haftfestigkeit und die Sputterrate verbessert werden.An electrode with a support made of aluminum or stainless steel is produced, which has a shape as in FIG. 1 or 2. An intermediate layer of copper with a thickness of approx. 8 µm is applied to this carrier by magnetron sputtering. An approx. 10 µm thick tungsten layer is then placed on the intermediate layer without changing the vacuum in the deposition chamber. In this case, it is preferable to ensure a continuous transition from the copper intermediate layer to the tungsten surface layer, which improves their adhesive strength and the sputtering rate.

Die Konditionierung der Elektrode erfolgt in einem Gasge misch, das bevorzugt CO₂ und O₂ enthält, insbesondere 30% CO₂ und 1 bis 2% O₂, ferner Stickstoff und/oder Helium mit gegenüber dem Laserbetrieb reduziertem Gasdruck (z. B. 0,5 bis 0,8 bar). In diesem Gasgemisch wird eine Glimment ladung oder gepulste elektrische Entladung zwischen zwei Elektroden oder zwischen einer Elektrode und einem Hilfsleiter betrieben. Dies erfolgt vorzugsweise unmittelbar nach dem Herstellen der Oberflächenschicht in der Beschichtungskammer, in welcher die Glimmentladung bzw. die gepulste Entladung mit einer entsprechend dem Gasdruck (verglichen mit der Gas entladungskammer des Lasers) reduzierten Spannung gezündet wird. The electrode is conditioned in a gas mixture which preferably contains CO ₂ and O ₂ , in particular 30% CO ₂ and 1 to 2% O ₂ , furthermore nitrogen and / or helium with a gas pressure which is reduced compared to laser operation (e.g. 0 , 5 to 0.8 bar). In this gas mixture, a glow discharge or pulsed electrical discharge is operated between two electrodes or between an electrode and an auxiliary conductor. This is preferably done immediately after the surface layer has been produced in the coating chamber, in which the glow discharge or the pulsed discharge is ignited with a voltage which is reduced in accordance with the gas pressure (compared to the gas discharge chamber of the laser).

Die Konditionierung wird durchgeführt, bis die Wolfram schicht bis zu einer Tiefe von ca. 1000 A oxidiert ist; diese Dicke der Passivierungsschicht gewährleistet eine stabile Entladung beim Einsatz in einem CO- oder CO₂-Laser, insbesondere mit hohem Gasdruck (1 bar und mehr). Erreicht wird diese Schichtdicke nach ca. 50 000 Schüssen, wenn man die Konditionierung bei einem Gasdruck von 0,8 bis 1 bar und einem Gasvolumen von ca. 500 ml sowie einer elektrischen Energiedichte von ca. 0,3 J pro cm² Entladungsfläche (effektiv wirksame Elektrodenoberfläche) anwendet.The conditioning is carried out until the tungsten layer is oxidized to a depth of approx. 1000 A; this thickness of the passivation layer ensures stable discharge when used in a CO or CO ₂ laser, in particular with a high gas pressure (1 bar and more). This layer thickness is reached after approx. 50,000 shots if the conditioning is carried out at a gas pressure of 0.8 to 1 bar and a gas volume of approx. 500 ml and an electrical energy density of approx. 0.3 J per cm ² discharge area (effective effective electrode surface) applies.

Das gleiche Ergebnis kann bei niederen Drücken und ent sprechend niederen Spannungen durch längere Betriebszeiten erzielt werden. Orientierung ist dabei die insgesamt über die Elektrodenoberfläche eingekoppelte elektrische Energie (ca. 15 kJ/cm² für eine Schichtdicke von ca. 10 µm). Wesentlich geringere Dicken der passivierenden Oxidschichten können zu sich ändernden Gasmischungen und damit zu sich ändernden Lasereigenschaften führen. Wesentlich größere Dicken der passivierenden Oxidschicht können zu schlechteren Entladungen und unstabilen Laserbedingungen führen.The same result can be achieved at lower pressures and correspondingly lower voltages through longer operating times. Orientation is the total electrical energy coupled in via the electrode surface (approx. 15 kJ / cm ² for a layer thickness of approx. 10 µm). Significantly smaller thicknesses of the passivating oxide layers can lead to changing gas mixtures and thus to changing laser properties. Significantly greater thicknesses of the passivating oxide layer can lead to poorer discharges and unstable laser conditions.

Im Falle von Excimer-Lasern werden mit entsprechenden Techniken anstelle von Oxidschichten Halogenschichten aufgebaut.In the case of excimer lasers, use appropriate techniques halogen layers instead of oxide layers.

Example 6

Das Beispiel 5 wird dahingehend abgewandelt, daß die Konditionierung in einem Gasgemisch erfolgt, welches 10% CO₂ und 2 bis 4% O₂, zum Rest Stickstoff und/oder Helium enthält.Example 5 is modified such that the conditioning takes place in a gas mixture which contains 10% CO ₂ and 2 to 4% O ₂ , the rest being nitrogen and / or helium.

Claims

1. Electrode for pulsed gas laser, which has a metallic support and a surface layer made of a material different from the support material, characterized by the following combination of features:
the carrier ( 1 ) consists of a thermoformable material,
the surface layer ( 3 ) has an average thickness between 3 µm and 20 µm,
and the surface layer ( 3 ) consists of one or more of the refractory metals tungsten, niobium, tantalum, rhenium and chromium and has a lower electron work function and a lower thermal and electrical conductivity than the adjoining material under the surface layer ( 3 ).

2. Electrode according to claim 1, characterized in that the surface layer ( 3 ) is between 5 µm and 10 µm thick.

3. Electrode according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier ( 1 ) consists of copper and the surface layer ( 3 ) lies directly on the carrier ( 1 ).

4. Electrode according to claim 1 or 2, characterized in that between the carrier ( 1 ) and the surface layer ( 3 ) an intermediate layer ( 2 ) made of a metal with a higher electrical and thermal conductivity is arranged than the surface layer ( 3 ) .

5. Electrode according to claim 4, characterized in that the intermediate layer ( 2 ) has a higher electrical and thermal conductivity than the carrier ( 1 ).

6. Electrode according to claim 4 or 5, characterized in that the intermediate layer ( 2 ) is at least 5 microns thick.

7. Electrode according to claim 6, characterized in that the intermediate layer ( 2 ) is at most 20 µm, preferably at most 10 µm thick.

8. Electrode according to claim 4 or 5, characterized in that the composition of the intermediate layer ( 2 ) gradually changes into the composition of the surface layer ( 3 ).

9. Electrode according to one of claims 4 to 8, characterized in that the intermediate layer ( 2 ) consists of copper or aluminum.

10. Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier ( 1 ) consists of copper, aluminum, brass, tin bronze or steel, in particular of a stainless steel.

11. Electrode according to claim 10, characterized in that the carrier ( 1 ) is a deep-drawn profile part.

12. Electrode according to one of the preceding claims, characterized in that the refractory metals are present in the surface layer ( 3 ) in a homogeneous mixture or alloy.

13. A method for producing an electrode according to any one of the preceding claims, characterized by

- Forming the carrier ( 1 ) in its final shape intended for the electrode by deep drawing,
- Deposition of the metal for the surface layer ( 3 ) by physical vapor deposition (PVD):

14. The method according to claim 13 for producing an electrode according to claim 4, characterized in that the metal or the metals for the intermediate layer ( 2 ) is or are deposited by PVD.

15. The method according to claim 13 or 14, characterized in that the surface layer ( 3 ) and possibly also the intermediate layer ( 2 ) are brought on by magnetron sputtering.

16. The method according to claim 14 or 15, characterized records that the electrode is still in the PVD-Be stratification chamber in such a gas atmosphere under one effect of electrical discharges, namely in a low pressure plasma, forming a passivation layer is treated, which are the same components or of these at least those essential for the stabilization of the electrode contains components such as the atmosphere in which the electrode is used as intended in the laser should.

17. The method according to claim 16, characterized in that that the passivating treatment no longer than until to achieve a passivation layer with a medium one Thickness of 100 nm is carried out.

18. The method according to claim 16 or 17, characterized in that for use in CO ₂ lasers, the surface layer ( 3 ) consists of tungsten, niobium, tantalum or rhenium or one of their alloys, and the passivation under CO ₂ - and / or O ₂ atmosphere takes place.

19. The method according to claim 16 or 17, characterized in that for use in CO lasers, the surface layer ( 3 ) consists of tungsten, niobium, tantalum or rhenium or one of their alloys, and the passivation with CO and / or O ₂ atmosphere takes place.

20. The method according to claim 16 or 17, characterized in that for use in N ₂ lasers, the surface layer ( 3 ) consists of tungsten, niobium, tantalum or rhenium or one of their alloys, and the passivation under N ₂ - and / or O ₂ atmosphere.

21. The method according to claim 16 or 17, characterized in that for use in chloride excimer lasers, the surface layer ( 2 ) consists of tungsten, chromium, tantalum or rhenium or one of their alloys, and the passivation under HCl or Cl ₂ atmosphere.

22. The method according to claim 16 or 17, characterized in that for use in fluoride excimer lasers, the surface layer ( 3 ) consists of niobium, chromium, tantalum or rhenium or one of their alloys, and the passivation under HF or F ₂ atmosphere.

23. Electrode for pulsed gas laser, in the surface layer ( 3 ) of which is formed by the method according to one of claims 16 to 22 passivation layer.