JP2005183427A - 放電電極及びレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 多ショットのエージングを要することなく、所望のプロファイルを有するレーザ光を発振させる。
【解決手段】 ガスレーザ発振装置のグロー放電部を構成する一対の放電電極２及び３の各々の対向面Ｒ内に、その対向面Ｒ内における残余の領域１０ａよりも仕事関数が小さい低仕事関数領域１１ａを形成する。対向面Ｒ内における低仕事関数領域１１ａの形成位置は、予備電離用の紫外光が最もとどきにくい中央部である。低仕事関数領域１１ａにおいて、優先的にグロー放電を発生させることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、放電電極及びレーザ発振装置に関し、特にグロー放電を発生させる放電電極及びレーザ発振装置に関する。

図５(ａ)は、下記特許文献１に開示されたレーザ発振装置の放電電極の断面図である。一対の放電電極５１及び５２が、放電空間Ｓを隔てて対向して配置されている。放電電極５１と５２との間でグロー放電を発生させることにより、放電空間Ｓに満たされたレーザ媒質ガスを励起してレーザ光を発生させる。放電電極５１及び５２の軸方向（図５(ａ)の紙面に垂直な方向）に平行な方向が、発生されたレーザ光の伝搬方向である。

放電電極５１及び５２の各々の幅方向（図５(ａ)の左右方向）両側方には、予備電離電極５３が配置されている。グロー放電の発生に先立ち、予備電離電極５３と放電電極５１及び５２との間で予備放電を起こして紫外光を発生させる。すると、発生した紫外光が、放電空間Ｓに満たされたレーザ媒質ガスを予めイオン化（予備電離）する。これにより、グロー放電の起こりやすい状況がつくり出される。

特開昭５７−８８７８９号公報（第１図）

予備電離電極５３は、放電電極５１及び５２の幅方向両側に配置されているため、予備放電によって発生した紫外光が放電空間Ｓ内に均一にゆきとどきにくい。即ち、予備放電によって発生した紫外光の強度は、放電空間Ｓの幅方向両端部Ｓ１及びＳ３において相対的に強く、幅方向中央部Ｓ２において相対的に弱くなりやすい。その結果、グロー放電の起こりやすさの度合いが放電空間Ｓ内の幅方向の位置によって異なってしまうため、放電空間Ｓ内に均一なグロー放電を発生させるのが難しい。

図５(ｂ)に、上記レーザ発振装置によって発振されたレーザ光の光軸に垂直なビーム断面内における強度分布（以下、プロファイルという。）を示す。横軸はレーザ光のビーム断面内における径方向の位置を示し、縦軸は光強度を示す。上述したように、放電空間Ｓ内の幅方向両端部Ｓ１及びＳ３における紫外光の強度が相対的に強くなったことに起因して、レーザ光のプロファイルが二山状をなしている。

レーザ発振装置の状態を、二山状のプロファイルをもつレーザ光を発振している状態から、一山状のプロファイルをもつレーザ光を発振する状態へ遷移させるためには、１〜２億ショット分のエージング（ならし運転としてのパルスレーザ光の空打ち）が必要である。なお、放電電極５１及び５２の寿命は、約１０億ショット分のパルスレーザ光の発振によって尽きる。従って、一山状のプロファイルをもつレーザ光を得たい場合には、エージングの分だけレーザ発振装置の稼動期間が短くなってしまう。なお、二山状のプロファイルをもつレーザ光を得たい場合には、かかるレーザ光を安定して得ることは困難である。

ところで、発振されるレーザ光の品質は、グロー放電が発生する領域の、放電電極の幅方向の長さ（以下、グロー放電幅という。）に特に大きく依存する。発明者の研究によれば、グロー放電幅が広すぎると、パワーの大きなレーザ光が得られる反面、その拡がり角が大きくなってしまう。一方、グロー放電幅が狭すぎると、レーザ光の拡がり角は小さくなる反面、パワーの大きなレーザ光が得られない。従って、グロー放電幅は、レーザ光の拡がり角とパワーとの兼ね合いを考慮した最適な値に設定される必要がある。しかし、グロー放電幅を所望値に設定するのは難しい。

また従来、放電電極５１及び５２間には、雷状のアーク放電が発生してしまうこともある。アーク放電が発生すると、レーザ媒質ガスを励起できなくなるだけでなく、放電電極５１及び５２の表面に損傷を与えその寿命を縮めてしまうことになる。そのため、アーク放電の発生を防止する技術が望まれる。

本発明の目的は、多ショットのエージングを要することなく、所望のプロファイルをもつレーザ光を発振させる技術を提供することにある。本発明の他の目的は、グロー放電幅を容易に所望値に設定する技術を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、アーク放電の発生を防止して、均一なグロー放電を発生させる技術を提供することにある。

本発明の一観点によれば、放電空間を隔てて他極の放電電極と対向して配置される放電電極であって、前記他極の放電電極との対向面内に、該対向面内における残余の領域よりも仕事関数が小さい低仕事関数領域が形成された放電電極が提供される。

低仕事関数領域においてグロー放電が優先的に発生するから、低仕事関数領域の幅や形成位置等に基づいて、グロー放電幅や発振させるレーザ光のプロファイル等を制御できる。少なくとも低仕事関数領域内においては、均一にグロー放電を発生させることができるから、アーク放電の発生を防止できる。

図１は、実施例によるエキシマレーザ発振装置の構成を示す概略図である。レーザ媒質ガスが充填されたチャンバ１の内部に、一対の放電電極２及び３が放電空間Ｓを隔てて対向して配置されている。チャンバ１内に充填するレーザ媒質ガスは、Ｋｒ等の希ガス元素とＦ２等のハロゲン元素とを含む。放電電極２及び３の各々は、両者の対向方向（図１の上下方向）に直交する軸方向（図１の左右方向）に長く延在した形状をなしている。軸方向及び対向方向の双方に直交する方向（図１の紙面に垂直な方向）が放電電極２及び３の幅方向である。放電電極２及び３の各々の幅方向両側には、予備電離電極４が配置されている。

放電空間Ｓを挟んで向かい合うように、一対の光透過窓５及び６が配置されている。光透過窓５及び６は、気密なチャンバ１の側壁の一部を構成している。チャンバ１の外部において、一方の光透過窓５と対向する位置には全反射鏡７が配置され、他方の光透過窓６と対向する位置には部分反射鏡８が配置されている。これら全反射鏡７及び部分反射鏡８は互いの反射面を向かい合わせており、両者によって光共振器が構成されている。

図示はしないが、チャンバ１内には、チャンバ１の内部でレーザ媒質ガスを循環させるファン等も配置される。ファンによって循環されたレーザ媒質ガスが、放電電極２及び３の間を、それら放電電極２及び３の軸方向及び対向方向の双方に交差する方向（図１の紙面を貫く方向）に流れる。

このエキシマレーザ発振装置では、まず予備電離電極４と放電電極２及び３との間で予備放電（コロナ放電）を起こして紫外光を発生させる。すると、発生した紫外光が放電空間Ｓに満たされたレーザ媒質ガスを予めイオン化（予備電離）する。これにより、グロー放電の起こりやすい状況が作り出される。

次に、放電電極２と３との間に絶縁破壊電圧以上の電位差を与えてグロー放電を発生させる。すると、発生したグロー放電によって、放電空間Ｓに満たされたレーザ媒質ガスが励起され、エキシマが生成される。生成されたエキシマが励起状態から基底状態へ遷移するときに紫外光が放出される。全反射鏡７と部分反射鏡８とで構成される光共振器が、その紫外光を閉じ込める。閉じ込められた紫外光の一部が、半反射鏡８を透過し、レーザ光Ｌとして外部に出射する。レーザ光Ｌの光軸方向は、放電電極２及び３の軸方向と平行である。

図２（ａ）に、図１のＡ−Ａ断面図を示す。放電電極２及び３の各々は、親電極体１０と子電極体１１とが結合されて構成されている。親電極体１０は、子電極体１１が嵌合する凹部を有する。具体的には、親電極体１０は、軸方向に延在するガスレーザ発振器用放電電極の対向面内に、軸方向に延在する凹条溝（凹部）を形成した形状をなしている。凹条溝の形成位置は、親電極体１０の幅方向中央部である。凹条溝の幅は所望するグロー放電幅に基づいて定められる。凹条溝が形成された親電極体１０の形状は、親電極体１０の幅方向に垂直な仮想平面であって親電極体１０の幅方向中央を通る仮想平面に関して対称である。

子電極体１１は、親電極体１０に形成された凹条溝を埋めて、親電極体１０とともに、他極と対向する滑らかな対向面Ｒを構成する形状をなしている。なお、対向面Ｒは、対向する放電電極に向かって凸になるように湾曲している。従って、放電電極２及び３間を流れるレーザ媒質ガスの気流の乱れを防止できる等の効果が得られる。子電極体１１が、親電極体１０の凹条溝に嵌合された状態で、両者が固定されている。

ボルト１２が、子電極体１１を親電極体１０に固定する。親電極体１０には、対向面Ｒとは反対側の裏面から凹条溝の底面にわたる貫通孔が形成されている。子電極体１１には、その貫通孔に対応した位置に有底のネジ穴が形成されている。ネジ穴は、子電極体１１の凹条溝の底面と接する裏面から、対向面Ｒ側に向かって延在する。そして、それら貫通孔及びネジ穴にボルト１２が挿入されている。ボルト１２は、対向面Ｒとは反対側の裏面から挿入されているため、グロー放電を妨げない。ボルト１２の締結を緩めると、親電極体１０と子電極体１１との結合を解除できる。即ち、子電極体１１は、親電極体１０に対して着脱可能である。

親電極体１０は、レーザ媒質ガスの侵食作用に対して耐性をもつ金属材料であるニッケルからなる。子電極体１１は、ニッケルに酸化ランタンを含有させた金属からなる。酸化ランタンは、ニッケルからなる対象物の仕事関数を低下させる仕事関数低減物質として機能するため、子電極体１１の仕事関数は、親電極体１０の仕事関数よりも小さい。

従って、放電電極２及び３の対向面Ｒ内において、子電極体１１の表面によって構成される領域（以下、低仕事関数領域という。）１１ａの仕事関数は、残余の領域１０ａ、即ち親電極体１０の表面によって構成される領域の仕事関数よりも小さい。なお、子電極体１１中の酸化ランタン濃度は一様である。従って、対向面Ｒ内における酸化ランタンの濃度は、軸方向には一様であり、幅方向には親電極体１０と子電極体１１との境において段階的に変化している。

図２（ｂ）に、このエキシマレーザ発振装置によって発振されたレーザ光のプロファイルを示す。横軸はビーム断面内における径方向の位置を示し、縦軸は光強度を示す。従来のような二山状のプロファイル（図５(ｂ)参照）にならずに、一山状のプロファイルが得られている。この理由は、主に次の通りであると考えられる。即ち、対向面Ｒ内の幅方向中央部に、相対的に仕事関数の小さい低仕事関数領域１１ａを形成したから、たとえ予備電離電極４による予備放電によって発生した紫外光が放電空間Ｓ内に均一に照射されずに、放電空間Ｓの幅方向中央部における紫外光の強度が相対的に弱くなったとしても、対向面Ｒ内の幅方向中央部で優先的にグロー放電を発生させることができる。従って、従来のように１〜２億ショットものエージングを要することなく、一山状のプロファイルを容易に得ることができると考えられる。

また、このように所望のプロファイルを得るにあたりエージングが不要となるか、又は少なくともエージングに要するショット数を従来よりも低減できるから、その分だけエージングに要する手間を省くことができる。また、少なくとも低仕事関数領域１１ａ内においては、全域にわたって均一なグロー放電を発生させることができるから、放電の偏りやアーク放電の発生等を防止できる。

また、グロー放電が低仕事関数領域１１ａ内だけで発生するかどうかは定かでないが、グロー放電幅は、少なくとも低仕事関数領域１１ａの幅、即ち子電極体１１の幅に依存する。従って、子電極体１１の幅によってグロー放電幅を制御できる。そのため、グロー放電幅を容易に所望値に設定できるようになる。

また、低仕事関数領域１１ａが、グロー放電の位置を拘束する機能を発揮するため、仮に放電電極２及び３間に印加される電圧に変動が生じた場合等でも、グロー放電の位置がふらついてしまうことを防止できる。これにより、グロー放電幅及び発振されるレーザ光のプロファイルを安定させることができる。

また、子電極体１１を、親電極体１０に対して着脱可能に嵌合させるから、子電極体１１の表面が荒れたとき等には、放電電極２及び３の全体を交換するのではなく、子電極体１１だけを交換すればよい。

また、対向面Ｒ内に低仕事関数領域１１ａを設けたので、仕事関数が低仕事関数領域１１ａの仕事関数よりも大きい放電電極、例えば純ニッケル製の放電電極を用いる場合に比べると、低い電圧でグロー放電を発生させうる。これにより、放電電極２及び３への印加電圧の低電圧化が図られる。

図３は、他の実施例による放電電極の断面図である。放電電極２１及び２２の各々は、電極本体２３の表面に、電極本体２３よりも仕事関数が小さい膜状体２４が形成されて構成されている。電極本体２３はニッケルからなり、膜状体２４はニッケルに酸化ランタンを含有させた金属からなる。電極本体２３の表面と、膜状体２４の表面とによって滑らかな対向面Ｒが構成されている。膜状体２４の表面によって構成される領域が、残余の領域２３ａよりも仕事関数の小さな低仕事関数領域２４ａとして機能する。

なお、放電電極２１及び２２の各々は、金属材料（ニッケル）と仕事関数低減物質（酸化ランタン）とからなる材料を膜状に整形した膜状体２４を、電極本体２３に固着して構成できる。固着は、例えばロウ付けによって行うことができる。また、膜状体２４は、例えばメッキや溶射等の方法によって、本体部２３の表面に形成することもできる。また、電極本体２３の表面に膜状体２４を配置した状態で、膜状体２４を加熱して電極本体２３と合金化することにより放電電極２１及び２２を構成することもできる。なお、ロウ付け等の方法を用いて電極本体２３に膜状体２４を形成した後は、両者によって構成される対向面を滑らかになるように研磨するとよい。

図４は、さらに他の実施例による放電電極の断面図である。レーザ光のプロファイルを積極的に二山状に整形することを考える。放電電極３１及び３２の各々は、親電極体３３、第１の子電極体３４、及び第２の子電極体３５が結合されて構成されている。親電極体３３は、軸方向に延在するガスレーザ発振器用放電電極の対向面内に、ともに軸方向に延在する２条の凹条溝を形成した形状をなしている。各凹条溝は、対向面Ｒ内の幅方向に関して、中央からある距離隔てられた位置に形成されている。これら凹条溝は、放電電極３１及び３２の幅方向に垂直な仮想平面であって放電電極３１及び３２の幅方向中央を通る仮想平面に関して対称に配置されている。第１及び第２の子電極体３４及び３５が、それら各凹条溝を埋めて、親電極体３３とともに滑らかな対向面Ｒを構成する。

第１の子電極体３４の表面と、第２の子電極体３５の表面とによってそれぞれ構成される低仕事関数領域３４ａ及び３５ａにおいて優先的にグロー放電を発生させることができるため、二山状のプロファイルをもつレーザ光を安定して発振させることができる。なお、所望するプロファイルの形状に応じて、親電極体３３に形成する凹条溝の数を任意に変更してよい。

以上、実施例について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、ニッケルからなる対象物の仕事関数を低下させる仕事関数低減物質としては、酸化ランタンに代えて、又は酸化ランタンとともに例えば酸化イットリウムを用いてもよい。また、親電極体１０が仕事関数低減物質を含んでもよい。この場合は、子電極体１１を、その親電極体１０を構成する材料と同一の材料に、さらに仕事関数低減物質を含めた材料から構成することにより、低仕事関数領域１１ａを構成できる。

また、対向面Ｒ内には、放電電極の幅方向に連続的に変化するような仕事関数低減物質の濃度分布をもたせてもよい。例えば、図２において、低仕事関数領域１１ａの幅方向中央部から幅方向両端部に向かって酸化ランタンの濃度が次第に減少するように子電極体１１を構成してもよい。さらには、例えば酸化ランタンの濃度が、親電極体１０と子電極体１１との境において幅方向に連続的に変化するような構成としてもよい。

また、低仕事関数領域は、仕事関数低減物質を電極本体にイオン注入することによって形成してもよい。イオン注入によって低仕事関数領域を形成する場合には、対向面Ｒ上の位置によってそのドーズ量を変化させることにより、対向面内に連続的に変化する仕事関数低減物質の濃度分布をもたせることができる。

また、放電電極の軸方向に垂直な断面形状は特に限定されない。例えば、対向面Ｒ内の幅方向中央部は略平坦にし、幅方向端部のみに曲率をもたせた形状であってもよい。この他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

実施例によるエキシマレーザ発振装置の概略図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は発振されたレーザ光のプロファイルを示す線図である。 他の実施例による放電電極の断面図である。 さらに他の実施例による放電電極の断面図である。 （ａ）は従来技術による放電電極の断面図であり、（ｂ）は発振されたレーザ光のプロファイルを示す線図である。

符号の説明

２、３ 放電電極
４ 予備電離電極
１０ 親電極体（第２の電極体）
１１ 子電極体（第１の電極体）
１１ａ 低仕事関数領域
１２ ボルト
２４ 膜状体
Ｒ 対向面
Ｓ 放電空間
Ｌ レーザ光

Claims (12)

1. 放電空間を隔てて他極の放電電極と対向して配置される放電電極であって、前記他極の放電電極との対向面内に、該対向面内における残余の領域よりも仕事関数が小さい低仕事関数領域が形成された放電電極。
2. 前記低仕事関数領域が、前記残余の領域を構成する材料と同一の材料に、仕事関数を低下させる仕事関数低減物質を含有させた材料から構成されている請求項１に記載の放電電極。
3. 軸方向に長く延在した形状をなしており、前記対向面内における前記仕事関数低減物質の濃度が、前記軸方向に直交する幅方向に、段階的又は連続的に変化している請求項２に記載の放電電極。
4. 前記対向面内における前記仕事関数低減物質の濃度が、前記軸方向には一様である請求項３に記載の放電電極。
5. 軸方向に長く延在した形状をなしており、前記低仕事関数領域の形状が、この放電電極の前記軸方向に直交する幅方向の中央を通り、該幅方向に垂直な仮想平面に関して対称である請求項１〜４のいずれかに記載の放電電極。
6. 前記低仕事関数領域が、前記対向面上における前記幅方向中央を内包する位置に形成されている請求項５に記載の放電電極。
7. 前記低仕事関数領域が、前記対向面内において前記軸方向に長く延在している請求項５又は６に記載の放電電極。
8. 前記低仕事関数領域が第１の電極体によって構成され、前記残余の領域が第２の電極体によって構成され、これら第１の電極体と第２の電極体とが嵌合されて構成されている請求項１〜７のいずれかに記載の放電電極。
9. 前記第１の電極体を、前記第２の電極体に対して着脱可能に嵌合させる着脱構造をさらに備えた請求項８に記載の放電電極。
10. 前記低仕事関数領域が、前記対向面内に形成された膜状体によって構成されている請求項１〜７のいずれかに記載の放電電極。
11. 少なくとも一方が請求項１〜１０のいずれかに記載の放電電極からなる一対の放電電極を有し、それら一対の放電電極間に発生させるグロー放電によってレーザ媒質ガスを励起する励起器と、
    前記励起器によって前記レーザ媒質ガスが励起されることに基づいて発生する光を閉じ込めるとともに、閉じ込められた光の一部を外部に出射させる光共振器と
    を備えたレーザ発振装置。
12. 前記励起器が、前記一対の放電電極の各々の、これら放電電極どうしの対向方向と直交する幅方向両側に配置され、該放電電極との間で予備放電を起こす予備電離電極をさらに備えた請求項１１に記載のレーザ発振装置。

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