JP2008130837A - レーザ発振器及びレーザ発振器の電極製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はレーザ発振器の電極の製造コストを下げることを課題とする。
【解決手段】レーザ発振器１０の主電極３０は、放電管１２２の長手方向に延在するように棒状に形成されており、電極材と異なる金属材料（ステンレスまたは黄銅）よりなる基材３００に導電材（ニッケル、モリブデン、タングステンなど）よりなる電極層３１０を積層した積層構造になっている。製造工程では、基材３００の表面に耐食性及び耐磨耗性を有するニッケルの粉体を溶射技術により溶融した状態で吹き付けて電極層３１０を積層する。電極３０は、電極層３１０が放電により磨耗した場合に交換されることになるが、放電管１２２から外された基材３００に導電材を溶射して電極層３０を積層して再利用(リサイクル)することができるので、その分コストが安価になる。
【選択図】図３

Description

本発明はレーザ発振器及びレーザ発振器の電極製造方法に係り、特にレーザ発振器のチャンバ内で放電を行うための電極を有するよう構成されたレーザ発振器及びレーザ発振器の電極製造方法に関する。

レーザ加工装置などに用いられるレーザ発振器としては、例えば、エキシマレーザを発生させる装置が知られている。この種のレーザ発振器では、チャンバ内に封入されたガス内で、予備電離を起こさせることによって、１組の主電極間に電離したガスを発生させ、高電圧のかかった主電極間の放電によって励起された原子が、元の原子に戻るときに発生する光を取り出すように構成されている（特許文献１を参照）。

また、アニール処理に用いられるエキシマレーザは、低温ポリシリコン生成のプロセスの関係上、波長３０８nmのXeClを媒質としたエキシマレーザが用いられている。そして、XeClレーザを発振させるレーザ発振器の場合、チャンバ内にHCl,Xe,Neからなる混合ガスを所定圧力で封入し、この混合ガスをファンにより循環させながらグロー状の高密度パルスを起こし、レーザ発振させる。そして、高圧ガスの雰囲気において、均質で一様な高密度パルス放電を開始させるためには、レーザ光軸の両側に配置された予備電離用装置間の放電が発する紫外線により主電極間の主放電に先だって予備電離を行うことが有効である。

この主電極間においては、高出力化に伴ってレーザ発振が加速されるが、アーク放電が生じてニッケルにより形成された主電極の表面が磨耗するといった現象も発生する。そのため、電極の長寿命化に対応すべくニッケルを電極材としてなる棒状の金属材によって電極を形成していた。

従来のレーザ発振器の電極製造方法としては、(1)ニッケルからなる棒状金属材を研削による所定の寸法形状に加工、（2）次に電極の表面のうち放電領域に放電を発生しやすくするため凹凸加工を施す、(3)電極の寸法形状を測定して設計通りに出来上がったことを確認する。
特開平６−１３２５８２号公報

しかしながら、上記のように電極全体を高価なニッケルにより形成されたものは、製造コストが高過ぎるという問題を有している。さらに、放電により電極表面が磨耗した場合には、使用済みの電極を新しいものと交換することになり、表面が磨耗した使用済みの電極を処分するのにも費用がかかり、電極にかかるコストを下げることが要望されている。

そこで、本発明は上記事情に鑑み、上記課題を解決したレーザ発振器及びレーザ発振器の電極製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。

本発明は、ガスが封止されたチャンバ内に互い対向するように延在形成された一対の電極間に電圧を印加して放電を生じさせてレーザ光を発生させるレーザ発振器であって、前記電極は、電極材と異なる金属材料よりなる基材の表面のうち少なくとも他の電極に対向する側に導電材を積層して電極層が形成されることにより、上記課題を解決するものである。

前記導電材は、耐食性を有すると共に、放電現象に対する耐磨耗性を有する導電性金属からなり、前記基材の表面に密着された状態で接合されることが望ましい。

本発明は、ガスが封止されたチャンバ内に互い対向するように延在形成された一対の電極間に電圧を印加して放電を生じさせてレーザ光を発生させるレーザ発振器の電極製造方法であって、電極材と異なる金属材料よりなる基材を所定形状に加工する工程と、前記基材の表面のうち少なくとも他の電極に対向する側に導電材を積層して電極層を形成する工程と、を有することにより、上記課題を解決するものである。

前記導電材を積層する工程は、前記導電材よりなる金属を溶融する工程と、前記基材の表面のうち少なくとも他の電極に対向する側に前記溶融された導電材を溶着させる工程と、を有することが望ましい。

前記導電材は、耐食性を有すると共に、放電現象に対する耐磨耗性を有する導電性金属からなり、前記基材の表面に溶融された状態で接合されることが望ましい。

前記金属材料は、ステンレスまたは黄銅からなることが望ましい。

前記電極層の表面には、微小な凹凸を有する粗面を形成することが望ましい。

前記基材の表面には、微小な凹凸を有する粗面を形成し、該粗面の表面にニッケルの粉体を溶融状態で吹き付けて前記電極層を形成することが望ましい。

前記導電材は、ニッケル又はモリブデン又はタングステンからなり、前記基材の表面に溶射技術により前記導電材の粉体を溶融状態で吹き付けて前記電極層を形成することが望ましい。

前記電極層の表面に前記電極層よりも硬い保護膜を形成することが望ましい。

本発明によれば、電極が電極材と異なる金属材料よりなる基材の表面のうち少なくとも他の電極に対向する側に導電材を積層して電極層が形成されるため、基材の材質を安価な金属で形成することで製造コストを低下させることが可能になり、且つ電極層が磨耗した場合には基材の表面に電極層を積層することで基材をリサイクルすることが可能になるので、よりコストを安価に抑えることができる。

また、本発明によれば、基材の表面のうち少なくとも他の電極に対向する側に溶融された導電材を溶着させることにより、電極層を厚く形成することが可能になり、電極の寿命を延ばすことが可能になる。

さらに、本発明によれば、基材の表面に溶射技術によりニッケルの粉体を溶融状態で吹き付けて電極層を形成することにより、耐食性を有すると共に、放電現象に対する耐磨耗性を有する電極層を形成することができ、粉体の大きさによって電極層表面に均一な凹凸を有する粗面を形成して放電しやすくできる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は本発明によるレーザ発振器の一実施例を示す構成図である。図１に示されるように、レーザ発振器１０は、チャンバ２０の内部に１組の主電極３０と、主電極３０の近傍に配置された予備電離装置４０と、熱交換器５０と、ブロワ６０と、ダスト除去部７０とを有する。主電極３０及び予備電離装置４０は、チャンバ２０の内に収納された放電管１２２に設けられている。

さらに、チャンバ２０には、HCl,Xe,Neからなる混合ガスを供給するガス供給装置８０と、不純ガスを除去するガスプロセッサ８５とが接続されている。

主電極３０及び予備電離装置４０は、保持ベース１００に保持されており、高電圧部（ＰＦＮ）１１０、グランド１２０が接続されている。また、１組の主電極３０は、チャンバ２０の長手方向（図１の紙面に対して鉛直方向）に延在するようにして棒状に形成されている。高電圧部１１０は、予備電離装置４０が発する紫外線により予備電離を起こし、主電極３０への電圧印加により長手方向に進行するレーザ光を発生させる。そして、レーザ光は、主電極３０の長手方向の両端に設けられた反射鏡（図示せず）により反射して発振する。

チャンバ２０内では、ブロワ６０によってガス供給装置８０から供給された混合ガスを周方向に循環させ、熱交換器５０によって混合ガスの熱を奪って主電極３０間に冷気を送風する。なお、熱交換器５０以外にも外部にガスを循環させる経路を設けることでチャンバ２０自体を冷却する場合もある。

混合ガスに含まれるダストは、ダスト除去部７０によって除去（吸着）される。このダスト除去部７０としては、例えば、集塵用フィルタや静電気や磁力を用いた集塵器などがあり、チャンバ２０内に設置する構成のものと、チャンバ２０の外部に設けるものもある。

ガスプロセッサ８５は、循環経路８４を介してチャンバ２０内でハロゲン化物と不純物とが結合した不純ガスを除去する。

図２はレーザ発振器１０を用いたレーザ加工機の構成を模式的に示す図である。図２に示されるように、レーザ加工機２００は、上記レーザ発振器１０と、レーザ発振器１０から出射されたレーザ光をワーク１１４の加工点に導く光学ユニット１１６とから構成されている。

レーザ発振器１０は、例えばレーザガスとしてＸｅＣｌのような希ガスハライドを用いた放電励起エキシマレーザ発振器からなる。レーザ発振器１０は、チャンバ２０の内部にレーザガスの放電・励起を行わせる放電管１２２を収納しており、放電管１２２の両端には互いに対向するように透明ガラスを嵌めこんだ透過窓１２４，１２６が取り付けられている。また、放電管１２２の内部には、前述した１組の主電極３０及び予備電離装置４０（図２では図示を省略）が設けられている。

さらに、放電管１２２の前側にはエキシマレーザ光の発振を行わせる光共振器形成用のフロントミラー（出力鏡）１２８が対向配置され、放電管１２２の後側にはフロントミラー１２８と対向するように配置されレーザ光を前側に反射させるリアミラー（全反射鏡）１３０とを有する。放電管１２２に電圧が印加されると、放電管１２２内部の互いに対向する一対の主電極３０間で放電が発生してレーザ光が発生し、フロントミラー１２８及びリアミラー１３０に向けてレーザ光が出射される。レーザ光は、フロントミラー１２８とリアミラー１３０との間で反射することで共振し、フロントミラー１２８から取り出される。

光学ユニット１１６は、レーザ発振器１０からのレーザ光を下方に反射させる反射ミラー１３４と、反射ミラー１３４からのレーザ光をワーク１１４の加工点に集光させる集光レンズユニット１３６を有する。

図３に示されるように、主電極３０は、放電管１２２の長手方向に延在するように棒状に形成されており、電極材と異なる金属材料（本実施例ではステンレスまたは黄銅）よりなる基材３００に導電材（本実施例では、融点が高く、且つ比較的固いニッケル、モリブデン、タングステン）よりなる電極層３１０を積層した積層構造になっている。さらに、電極層３１０の表面には、保護膜３２０が被覆形成されており、この保護膜３２０により電極層３１０が放電のスパッタより保護されて磨耗しにくくなる。

主電極３０においては、ステンレス（または黄銅）とニッケル（またはモリブデン、タングステン）との線膨張係数の差が小さいので、基材３００をステンレスまたは黄銅により形成し、電極層３１０をニッケルまたはモリブデン、タングステンにより形成することにより、放電による発熱で加熱された場合でも電極層３１０が基材３００から剥離しにくい構成とすることができる。また、基材３００をステンレスで形成する場合、チャンバ２０内で塩化水素（ＨＣｌ）が供給される環境下においてもステンレスが塩化水素に反応しにくいので、基材３００を使用することが可能になる。

ここで、上記主電極３０の製造方法について図４（Ａ）〜図４（Ｇ）を参照して説明する。図４（A）に示す工程１では、ステンレスまたは黄銅などのように比較的安価に入手することができ、耐食性及び加工性に優れた金属材料を上記放電管１２２の内部構造に対応した所定の寸法形状に加工する。この加工工程では、例えば、研削加工により棒状の基材３００を製作する。

次の図４（B）に示す工程２では、上記研削工程により得られた基材３００の表面にショットブラストにより微小な凹凸を加工する。このように基材３００の表面に微小な凹凸が形成されることにより、次の溶射工程により吹きつけられた導電材の溶融金属が凹凸部分に食い込んで付着しやすくなる。

上記のように基材３００の表面に形成される凹凸は、投射材と呼ばれる粒体を加工物に衝突させる際の投射材の粒径を選択することで任意の凹凸を有する粗面に加工される。また、ショットブラストによる粗面加工の条件としては、投射材の種類（粒径、組成、密度、硬度、強度）、投射速度、投射角度、投射量などがあり、基材３００の硬さ（硬度）に応じて選定することが望ましい。

次の図４（C）に示す工程３では、上記研削工程により得られた基材３００の表面に耐食性及び耐磨耗性を有する導電材（融点の高いニッケル、モリブデン、タングステン）の粉体を溶射技術により溶融した状態で吹き付けて電極層３１０を積層する。導電材に用いられる金属は、銅よりも耐食性及び耐磨耗性に優れており、放電による磨耗も少ないので、高出力化に伴ってより高電圧が印加された場合でも電極層３１０の耐磨耗性が高められる。また、溶射を用いる方法では、金属の粉体を溶融状態にして基材３００に噴射するため、基材３００の表面にニッケルを容易に積層することができ、しかも電極層３１０を所定厚さ（例えば、０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度）に積層することができるので、めっきなどの薄膜形成法よりも厚く形成することが可能である。

レーザ発振器１０では、主電極３０の全長（レーザ光の進行方向の長さ）が長く、全長が１メートル近くあるものもあるが、溶射法によれば、全長に応じて溶射ノズルの移動距離を延長すれば良いので、主電極３０の全長に拘わらず、電極層３１０を形成することが可能である。

また、電極層３１０の膜厚をより厚くする場合は、溶射工程と冷却工程とを交互に繰り返すことで実現することが可能になる。そのため、溶射工程を希望する膜厚に応じた複数回行うことで容易に電極層３１０の膜厚をより厚くすることができる。

本実施例で用いられる溶射法としては、例えば、APS（Atmospheric Plasma Spraying）溶射法、あるいはHOVF(High Velocity Oxy-Fuel)溶射法、あるいはPFSP(Powder Flame Spraying Process)溶射法を用いる。

APS溶射法では、高温高速のプラズマジェットによりニッケル粉体を溶融して基材３００の上面（他の電極と対向する側）及び側面に噴射することで電極層３１０を積層する。

また、HOVF溶射法では、燃焼炎ジェット流の中心にニッケル粉末を供給して溶融または半溶融状態にし、高速度で連続噴射することで、粉末溶射が超音速度で基材３００に衝突するため、緻密で高密着力を有する電極層３１０を形成することができる。

また、PFSP溶射法では、ニッケルにホウ素やケイ素などの溶剤を含む約１０００°Cの低溶融点の合金を所定の厚みまで溶射した後、溶融処理を行って基材３００の表面に電極層３１０を溶接に近い密着力で積層する。

上記溶射法によれば、ニッケルによる粉体の粒径を大きくすることで半溶融状態のニッケル粒を基材３００の表面に噴射して電極層３１０の表面に粒径に応じた均一な粗さの凹凸部を有する粗面を形成することができる。これにより、電極層３１０の表面に無数の突起が形成された状態となり、この突起から放電が発生しやすくなる。尚、放電現象を促進させるためには、電極層３１０の表面の粗さを、平均粗Ｒａ＝５〜５０程度に設定することが望ましい。

また、上記工程２において、基材３００の表面にショットブラストにより微小な凹凸を加工してあるので、上記溶射法により噴射されたニッケルの溶融金属が基材３００の上面及び側面で食いつきやすく、電極層３１０の厚みをより厚くする場合でも基材３００に噴射された溶融金属が落下することが防止される。

次の図４（D）に示す工程４では、電極層３１０の表面のうち他の電極と対向する上面側をドリルなどの切削加工またはショットブラストにより凹凸形状に加工する。この工程は、前述した溶射工程による粗面形成が良好に行えない場合、あるいは上記溶射工程により形成された電極層３１０の粗面よりも粗くしたい場合に行われる。

次の図４（E）に示す工程５では、基材３００の上面及び側面に積層された電極層３１０のうち放電を行うのは、他の主電極３０と対向する上面側（放電領域）である。そのため、この放電領域を除く非放電領域となる側面部分を研磨して鏡面加工を施す。これにより、主電極３０の非放電領域で放電し難くして、放電領域での放電発生効率を高める。

次の図４（Ｆ）に示す工程６では、電極層３１０の表面に保護膜３２０を積層する。この保護膜３２０としては、電極層３１０が放電によるスパッタで磨耗しにくいように保護するものであり、硬度の高い金属酸化物（例えば、セラミックスやＴｉＯ_２など）をスパッタ法あるいはＣＶＤ(Chemical vaper deposition)法により形成される。これにより、電極層３１０は、表面が保護膜３２０によって磨耗しにくくなり、寿命がより延長される。尚、この保護膜３２０は、放電効率に影響しないような薄い膜であるが、電極３０に印加される電圧の大きさを考慮し、必要に応じて選択的に形成するようにしても良い。

次の図４（Ｇ）に示す工程７では、三次元測定器などの精密測定器を用いて主電極３０の各寸法を計測し、設計通りの寸法に加工されていることを確認する。また、電極層３１０の表面（特に放電領域となる上面）の粗さも測定して規定の粗さ範囲に入っていることを確認する。

このように、電極材と異なる金属材料（ステンレスまたは黄銅）よりなる基材３００の上面及び側面に導電材（ニッケル、モリブデン、タングステンなど）の粉体を溶射により溶融した状態で噴射して電極層３１０を形成することにより、主電極全体を高価なニッケルで作るよりも安価に製作することが可能になる。

さらに、主電極３０は、電極層３１０が放電により磨耗した場合に交換されることになるが、放電管１２２から外された基材３００に導電材（ニッケル、モリブデン、タングステンなど）を溶射して電極層３０を積層して再利用(リサイクル)することができるので、その分コストが安価になる。

また、上記実施例では、溶射により導電材を基材３００に積層して電極層３１０を形成する製造方法を例に挙げて説明したが、電極層３１０の形成方法として、溶射技術に限らず、その他の接合方法を用いても良い。

例えば、ステンレス(融点１５２０°Ｃ)よりなる基材３００上面に導電材（ニッケル、モリブデン、タングステンなど）を重ねた状態で電気炉に挿入し、導電材の融点（１４５５°Ｃ〜１５００°Ｃ）以上に加熱することで、導電材を溶融状態にした後、プレス等により溶融状態の導電材を加圧し、これにより、基材３００上面に接合して電極層３１０を積層する製造方法でも良い。この方法によれば、溶射を用いる場合よりも電極層３１０をより厚くすることが可能になる。

また、基材３００は、比較的安価で加工性の良い金属であれば良いので、例えば、鉄のような腐食しやすい金属を基材３００に用いる場合には、真空中において基材３００表面が酸化することを防止した状態で、導電材を溶射して電極層３１０を積層することにより製造することができる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。その他に、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは、当業者には自明であろう。

本発明によるレーザ発振器の一実施例を示す構成図である。 レーザ発振器１０を用いたレーザ加工機の構成を模式的に示す図である。 主電極の構造を示す縦断面図である。 主電極の製造方法を説明するための工程図である。

符号の説明

１０ レーザ発振器
２０ チャンバ
３０ 主電極
４０ 予備電離装置
１２２ 放電管
３００ 基材
３１０ 電極層

Claims (10)

1. ガスが封止されたチャンバ内に互い対向するように延在形成された一対の電極間に電圧を印加して放電を生じさせてレーザ光を発生させるレーザ発振器であって、
   前記電極は、電極材と異なる金属材料よりなる基材の表面のうち少なくとも他の電極に対向する側に導電材を積層して電極層が形成されたことを特徴とするレーザ発振器。
2. 前記導電材は、耐食性を有すると共に、放電現象に対する耐磨耗性を有する導電性金属からなり、前記基材の表面に密着された状態で接合されることを特徴とする請求項１記載のレーザ発振器。
3. ガスが封止されたチャンバ内に互い対向するように延在形成された一対の電極間に電圧を印加して放電を生じさせてレーザ光を発生させるレーザ発振器の電極製造方法であって、
   電極材と異なる金属材料よりなる基材を所定形状に加工する工程と、
   前記基材の表面のうち少なくとも他の電極に対向する側に導電材を積層して電極層を形成する工程と、
   を有することを特徴とするレーザ発振器の電極製造方法。
4. 前記導電材を積層する工程は、
   前記導電材よりなる金属を溶融する工程と、
   前記基材の表面のうち少なくとも他の電極に対向する側に前記溶融された導電材を溶着させる工程と、
   を有することを特徴とするレーザ発振器の請求項３記載の電極製造方法。
5. 前記導電材は、耐食性を有すると共に、放電現象に対する耐磨耗性を有する導電性金属からなり、前記基材の表面に溶融された状態で接合されることを特徴とする請求項３又は４の何れかに記載のレーザ発振器の電極製造方法。
6. 前記金属材料は、ステンレスまたは黄銅からなることを特徴とする請求項３乃至５の何れかに記載のレーザ発振器の電極製造方法。
7. 前記電極層の表面に微小な凹凸を有する粗面を形成することを特徴とする請求項３乃至６の何れかに記載のレーザ発振器の電極製造方法。
8. 前記基材の表面に微小な凹凸を有する粗面を形成し、該粗面の表面にニッケルの粉体を溶融状態で吹き付けて前記電極層を形成したことを特徴とする請求項３乃至５の何れかに記載のレーザ発振器の電極製造方法。
9. 前記導電材は、ニッケル又はモリブデン又はタングステンからなり、
   前記基材の表面に溶射技術により前記導電材の粉体を溶融状態で吹き付けて前記電極層を形成することを特徴とする請求項３乃至８の何れかに記載のレーザ発振器の電極製造方法。
10. 前記電極層の表面に前記電極層よりも硬い保護膜を形成したことを特徴とする請求項３乃至９の何れかに記載のレーザ発振器の電極製造方法。

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