JP2009200520A - ガスレーザ用電極、その電極を用いたレーザチャンバ及びガスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の劣化を抑制して、安定したレーザ出力を得ることのできるガスレーザ用電極を提供する。
【解決手段】レーザチャンバに取り付けるべきガスレーザ用電極１のアノード３に、例えばカルシウム（Ｃａ）など、強いフッ化膜を形成することが可能な元素である所望の単体金属をドープする。アノード３の放電部３ａの表面だけが加熱されて、該放電部３ａ以外の部位（放電が行われない部位）に比べてフッ化が進むと、アノード３の放電部３ａの表面に特にフッ化膜が厚く生成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザガスを励起させるガスレーザ用電極、その電極を用いたレーザチャンバ及びガスレーザ装置に関する。

エキシマレーザ装置等のガスレーザ装置には、レーザチャンバ内に、該レーザチャンバ内に封入されたレーザガスを励起させてレーザ発振させるために、レーザ光の光軸を挟んで対向して配置される主放電電極と、該主放電電極間で放電を発生し易くさせるために、これらの電極間の空間を予備電離する予備電離電極とが設けらている。レーザガスとしては例えば希ガスとハロゲンガスの混合ガスが用いられる。

このようなガスレーザ装置では、予備電離電極によって主放電電極間が予備電離されることにより、この主放電電極間で放電が発生してレーザガスが励起され、レーザ発振される。なお、周知のように、主放電電極間において安定した放電が行われることにより、レーザ発振も安定し、結果的に安定したレーザ出力が得られる。

ところで、このようなガスレーザ装置に用いられる主放電電極としては、実開昭６１−１７４７６４号公報（以下、文献１という）、特開昭６２−１９９０７８号公報（以下、文献２という）および特開昭６３−２２７０６９号公報（以下、文献３という）に記載されたものが知られている。

上記文献１に記載のものは、大きなレーザ出力を得るために、主放電電極とアーク放電電極（予備電離電極に相当）との間隔を短くした場合でも、主放電電極とアーク放電電極間で放電が発生しないように、主放電電極における主放電部を除いた側面部分に絶縁物を密着被覆している。

また、上記文献２に記載のものは、主放電電極近傍における強い紫外線、イオン、電子などが多量に発生することによるレーザ管内壁や放電用部材の腐食、封入ガスの劣化等の不具合を抑制するために、レーザ管もしくは放電用部材の少なくとも一部にハロゲン耐食性樹脂層をコーティングしている。

さらに、上記文献３に記載のものは、主放電電極における主放電電極中央の平面部で安定したグロー放電が得られ、また主放電電極端部での絶縁破壊やアークを抑制するために、主放電電極の端部たとえば端部局面部に絶縁物を装着している。

また、これらの文献に記載されたもの以外の主放電電極としては、アノードとカソードから構成される主放電電極におけるカソード表面に誘電体薄膜を塗布した主放電電極が知られている。これは、カソード表面に誘電体薄膜を塗布することにより、放電開始電圧が低下する現象を利用して、放電の衝撃によるアノードの劣化（電極の変形）を低減させるものである。

しかしながら、上述した文献１〜３の主放電電極では、放電の衝撃によるアノード表面の変形（凹凸状に変形）、アノード表面でのハロゲンガスの侵食に起因する電極材料のハロゲン化による電極の変質により、レーザ出力特性などが急激に変化し、初期特性を維持することが難しい。すなわち安定した所望のレーザ出力特性を得ることができない。

例えば、クリプトンフッ素（ＫｒＦ）エキシマレーザや、アルゴンフッ素（ＡｒＦ）エキシマレーザ等のエキシマレーザ装置に用いられるレーザチャンバ内に設けられる主放電電極では、レーザ発振動作が繰り返されることにより、希ガス（クリプトンＫｒ、アルゴンＡｒ）とハロゲンガス（フッ素Ｆ２）からなる混合ガス（レーザガス）に含まれるフッ素（Ｆ２）と、アノードの放電部とが反応して、アノードがハロゲン化（この場合はフッ化）される。これと同時に、アノードの放電部が平坦な状態から凹凸状に変形してくる。

これによって主放電電極間での放電が不安定となり、レーザの出力エネルギーが低下して、所望のレーザ出力特性を得ることができないという問題点がある。

この問題点に対処するために、レーザチャンバ内のガス圧を上げたり、主放電電極間に印加する電圧を上げるなどの処置を講ずる必要があり、場合によっては劣化したアノード（または主放電電極）を交換しなければならず、作業性が悪かった。また、劣化した電極を新規な電極と交換した場合でも、上記同様の問題点が発生することには変わりはなく、結果的に、電極交換のサイクルも頻繁に発生することになり、メンテナンスコストの上昇を招いていた。

ところで、カソード表面に誘電体薄膜を塗布した主放電電極においても、アノードにおけるカソードとの間で放電が行われる放電部にはコーティングが施されていないので、上記同様に、放電の衝撃によるアノードの劣化（電極の変形）、電極材料のハロゲン化（例えばフッ化）による電極（アノード）の変質により、安定したレーザ出力特性を得ることができないという問題点がある。

そこで、本発明は、電極（放電特性）の劣化を抑制して、安定したレーザ出力を得ることのできるガスレーザ用電極を提供することを第１の解決課題とする。

また、本発明は、電極（放電特性）の劣化を抑制して、安定したレーザ出力を得ることのできるガスレーザ用電極を用いたレーザチャンバを提供することを第２の解決課題とする。

さらに、本発明は、電極（放電特性）の劣化を抑制して、安定したレーザ出力を得ることのできるガスレーザ用電極を用いたレーザチャンバを搭載したガスレーザ装置を提供することを第３の解決課題とする。

上記課題を解決するため、第１の発明では、対向して配置されるカソードとアノードとを有し、これらの電極間で放電することによりレーザガスを励起させるガスレーザ用電極において、前記アノードの電極材質にフッ化膜を形成するカルシウム単体またはカルシウムの合金をドープしたことを特徴とする。

第１の発明を図１を参照して説明する。

レーザチャンバに取り付けるべきガスレーザ用電極１のアノード３に、例えばカルシウム（Ｃａ）など、強いフッ化膜を形成することが可能な元素である所望の単体金属をドープする。次に、フッ化膜ができる以前にアノード３に上記所望の単体金属がドープされた状態のガスレーザ用電極１をレーザチャンバに取り付ける。続いて、カソード２とアノード３間に所定の電圧を印加することにより、これらの電極間で放電を発生させてレーザガスを励起させ、レーザ発振させる。

そして、このようにしてレーザ発振が行われると、アノード３の放電部３ａの表面だけが加熱されて、該放電部３ａ以外の部位（放電が行われない部位）に比べてフッ化が進む。その結果、アノード３の放電部３ａの表面に特にフッ化膜が厚く生成される。たとえば、単体金属（Ｃａ）をドープした場合には、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）などのフッ化膜が形成される。

以上説明したように、第１の発明によれば、アノードにおけるカソードとの間で放電が行われる部位での、レーザガスによる侵食や放電の衝撃による変形を抑制することができ、よって安定した放電を行うことができる。

また、上記第２の解決課題を達成するため、第２の発明に係るレーザチャンバでは、上記第１の発明のガスレーザ用電極を用いている。

第２の発明によれば、アノードにおけるカソードとの間で放電が行われる部位での、レーザガスによる侵食や放電の衝撃による変形を抑制することができ、よって安定した放電を行うことができるレーザチャンバを提供することができる。

さらに、上記第３の解決課題を達成するため、第３の発明に係るガスレーザ装置では、上記第２の発明のレーザチャンバを搭載している。

第３の発明によれば、アノードにおけるカソードとの間で放電が行われる部位での、レーザガスによる侵食や放電の衝撃による変形を抑制することができ、よって安定した放電を行うことにより、安定したレーザ出力を得ることができるガスレーザ装置を提供することができる。

図１（ａ）は本実施形態のガスレーザ用電極の要部断面を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示したガスレーザ用電極におけるＸ−Ｘ線断面を示す断面図である。 図２は本実施形態のガスレーザ用電極を用いた場合のレーザの出力エネルギーとパルス数との関係を示すグラフである。 図３（ａ）は本実施形態の応用例としてのガスレーザ用電極のアノードの要部断面を示す断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）に示したアノードにおけるＸ−Ｘ線断面を示す断面図である。 図４（ａ）、（ｂ）は本実施形態の応用例としてのガスレーザ用電極におけるアノードの要部断面を示す断面図である。 図５は本実施形態のガスレーザ用電極を適用したガスレーザ装置におけるレーザチャンバの要部を示す断面図である。 図６は図５におけるＹ−Ｙ線断面を示す断面図である。 図７は本実施形態のガスレーザ用電極を適用した他のガスレーザ装置におけるレーザチャンバの要部を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。

図１（ａ）はガスレーザ用電極１の要部断面を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示したガスレーザ用電極１のＸ−Ｘ断面を示す断面図である。

ガスレーザ用電極１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すようにカソード２とアノード３とから構成されており、これらの電極は、たとえばエキシマレーザ装置等のガスレーザ装置におけるレーザチャンバ内に、レーザ光の光軸を挟んで対向して配置される。これら各電極２、３のレーザチャンバ内での配置そのものは、従来と同様の配置関係で配置することができるので、ここでは、その説明については省略する。なお、ガスレーザ用電極１を用いたガスレーザ装置については後述する。

ところで、上記レーザチャンバ内には、例えば、希ガス（クリプトンＫｒ、アルゴンＡｒ）とハロゲンガス（フッ素Ｆ２）からなる混合ガス（クリプトンフッ素ＫｒＦ、アルゴンフッ素ＡｒＦ）や、希ガス（キセノンＸｅ）とハロゲンガス（塩化水素ＨＣｌ）からなる混合ガス（キセノン塩素ＸｅＣｌ）が封入される。

ガスレーザ用電極１においては、カソード２は金属材料のみで形成されているものの、アノード３は、電極の劣化を抑制するために、詳細については後述するが、図１（ａ）に示すようにカソード２との間で放電が行われる部位（以下、放電部という）３ａに誘電体（または絶縁体）４がコーティングされている。ここで、コーティングの物質は誘電体または絶縁体のいずれでも良いが、以下の説明においては、誘電体４として説明する。

次に、アノード３に対するコーティング処理について詳細に説明する。ここでは、コーティングの材質、その厚み、さらにその方法について順に説明する。

１：コーティング材質
誘電体４の材質としては、上記レーザチャンバ内に封入されるハロゲンガスが、フッ素系（フッ素Ｆ２）の場合にはフッ化物が有効であり、また塩素系（塩化水素ＨＣｌ）の場合は塩化物系が有効である。この理由としては、アノード３の放電部３ａの劣化は、ハロゲンガスの侵食（フッ素系の場合では例えばフッ素Ｆ２とアノード３との反応）による電極材料のハロゲン化（フッ素系の場合では例えばフッ化）による変質が主原因であるからである。

従って、フッ素系のハロゲンガスを採用するガスレーザ装置に用いられるガスレーザ用電極１のアノード３にコーティングする材料つまり誘電体４としてはフッ化物が有効である。

具体的には、誘電体４としては、例えば、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化銅（ＣｕＦ２）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ３）、フッ化ニッケル（ＮｉＦ３）、フッ化コバルト（ＣｏＦ３）、フッ化鉄（ＦｅＦ３）などのフッ化物がある。なお、これらのフッ化物のうち、蒸気圧の低い物質であるＣａＦ２、ＳｒＦ２を用いる方がより好ましい。また、耐フッ素性を持つ酸化アルミニウム（アルミナ＝Ａｌ２０３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）でも良い。

２：コーティングの厚み
誘電体４は、アノード３の放電部３ａにおいてレーザガスに含まれるハロゲンガスの侵食を発生させず、かつ導電性を確保することができる厚み（つまりカソード２とアノード３との間で放電を発生させる程度の厚み）をもって形成されている。この厚さは、前記条件を満たすべく、例えば０．００５ｍｍ〜１．５ｍｍ、さらに望ましくは０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲中の所望の値が適用される。

勿論、上記誘電体４の厚さは、当該誘電体の材質に応じて、上記条件を満たすべく許容範囲中の所望の値が適用されることになる。

３：コーティング方法
アノード３へのコーティングの方法としては、溶射、爆射、フィジカルベーパデポジション（ＰＶＤ）、ケミカルベーパデポジション（ＣＶＤ）、プラズマ蒸着等により薄膜を生成する方法（第１の方法）と、電極材質に単体金属または合金をドープし、フッ素雰囲気中でフッ化膜を生成する方法（第２の方法）とがある。

上記ドープする単体金属としては、アルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）等、強いフッ化膜を作ることが可能な元素が好ましい。ドープする割合は、母材に対して０．０１〜５０％が望まれる。

ここで、上記第２の方法について説明する。この第２の方法では、最初に、レーザチャンバに取り付けるべきガスレーザ用電極１のアノード３に上述した金属群における所望の金属、例えばカルシウム（Ｃａ）あるいはストロンチウム（Ｓｒ）をドープする。次に、フッ化膜ができる以前にアノード３に上記所望の金属がドープされた状態のガスレーザ用電極１をレーザチャンバに取り付ける。続いて、カソード２とアノード３間に所定の電圧を印加することにより、これらの電極間で放電を発生させてレーザガスを励起させ、レーザ発振させる。

そして、このようにしてレーザ発振が行われると、アノード３の放電部３ａの表面だけが加熱されて、該放電部３ａ以外の部位（放電が行われない部位）に比べてフッ化が進む。その結果、アノード３の放電部３ａの表面に特にフッ化膜が厚く生成される。たとえば、上記単体金属（ＣａあるいはＳｒ）をドープした場合には、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）やフッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）などのフッ化膜が形成される。

なお、ここでは、レーザチャンバとそこに組み込むガスレーザ用電極１とを対にした状態で、アノード３に対するフッ化を行うようにしているが、このフッ化は、フッ化対象のガスレーザ用電極またはアノード毎に、上記同様に、フッ化処理するための専用のレーザチャンバで行うようにしても良い。そして、コーティングが終了した後、専用のレーザチャンバからガスレーザ用電極またはアノードを取り出して、新たなレーザチャンバ内に組み込む。

ここで、上述したようにして誘電体４がコーティングされたガスレーザ用電極１を用いたガスレーザ装置における、レーザの出力エネルギーとパルス数との関係を表す特性を図２に示す。

図２において、実線の曲線は本発明のガスレーザ用電極１を用いた場合の特性を示し、一点鎖線の曲線は従来のガスレーザ用電極（アノードの放電部に誘電体が未コーティンのもの）を用いた場合の特性を示している。

なお、図２においては、時点ｔ１でのレーザのパルス数＜時点ｔ２でのレーザのパルス数＜時点ｔｎでのレーザのパルス数の関係が成立している。

本発明のガスレーザ用電極１を用いた場合は、図２から明らかなように、時点ｔ１でのレーザの初期特性つまりレーザの出力エネルギーＥ１と、レーザのパルス数が多くなった（つまりレーザ発振動作の累積時間が多くなった）時点ｔｎでのレーザの出力エネルギーＥ２との差（性能差）を、従来の場合における時点ｔ１での出力エネルギーＥ３と時点ｔｎでの出力エネルギーＥ４との差と比較して、小さく抑制することができる。

また、レーザの出力エネルギーそのものも、図２から明らかなように、時点ｔ２から時点ｔｎの期間中においては、従来の場合と比較して高出力が得られる。

すなわち、本発明のガスレーザ用電極１を用いた場合は、長期間に渡って安定したレーザ出力を得ることが可能となる。

この理由としては、上述したようにアノード３の放電部３ａに誘電体４をコーティングしたため、放電部３ａが保護された状態となり、放電の衝撃による放電部３ａの変形が抑制されると共に、アノード３（放電部３ａ）とハロゲンガス（例えばフッ素Ｆ２）との反応が抑制（ハロゲンガスの侵食に起因する電極材料のハロゲン化、例えばフッ化が抑制）されることとなり、結果的に、アノードの変質等に基づく電極（アノード）の劣化を抑制することができるからである。

このためカソード２とアノード３間で安定した放電が行われることになり、これに伴ってレーザ発振も安定し、結果的に安定したレーザ出力が得られる。

次に、アノード３にコーティングされる誘電体４の変形例について説明する。

すなわち、上述した実施形態では、単一のフッ化物が均一で緻密な膜で形成される誘電体をコーティングするようにしているが、これに限定されることなく、電極の導電性を確保するために、アノード３にコーティングされる誘電体（または絶縁体）４は以下のように形成されていても良い。

（Ａ）：金属微粒子が混合された誘電体または絶縁体であること。

例えば、アルミナ（Ａｌ２０３）などの誘電体に、電極の導電性を確保するために電極材料（アノード３の材質と同一の材料）あるいは該電極材料とは異なる金属であって電気伝導性の良い金属（銅、アルミニウム、コバルト、ニッケル、ストロンチウム、鉄など）の微粒子を混ぜた混合材料で形成されるものを、誘電体４として用いる。

（Ｂ）：空孔を有する（ポーラス構造の）誘電体または絶縁体であること。

この場合のアノード３の構造を図３に示す。なお、図３（ａ）は本実施形態の応用例としてのガスレーザ用電極１のアノード３の要部断面を示す断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）に示したアノード３のＸ−Ｘ断面を示す断面図である。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、電極の導電性を確保するために、直径が０．１ｍｍ程度の空孔５を有するような不均一な膜で形成されるものを、誘電体４として用いる。空孔５は、前記膜を貫通している必要はない。何故ならば、空孔５、および該空孔５が存在して薄くなった膜の部分が順次、絶縁破壊されて、当該膜の部分が導電性を有することになるからである。

なお、図３（ａ）に示した誘電体（膜）４は、空孔５を有することにより導電性が確保されるので、図１（ａ）に示した誘電体（膜）４と比較して、多少厚くすることができる。

上記（Ａ）、（Ｂ）で記述した誘電体がコーティングされるアノード３は、図１に示した誘電体４がコーティングされたアノード３と比較して、より電極（アノード）の導電性を確保することができる。

また、上記実施形態では、アノード３の放電部３ａに誘電体の膜をコーティングするようにしているが、これに限定されることなく、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、アノード３の放電部３ａに誘電体４の膜をコーティングすると共に、放電部３ａ以外の部位つまり側面部３ｂ、３ｃには当該誘電体とは異なった材質の膜または完全な絶縁膜などの膜６をコーティングする。

以上説明したように、本実施形態によれば、ハロゲンガスを用いたレーザの励起用電極のアノード（陽極）に誘電体または絶縁体をコーティングすることにより、当該アノードの劣化による影響（例えば、放電特性の劣化、レーザ出力特性の劣化）を最小限に抑制することができる。

すなわち、アノードの放電部３ａ（電極表面）を誘電体または絶縁体で予めコーティングしておくことにより、アノード３において、レーザガスに含まれるハロゲンガスの侵食による放電部３ａの変質や放電の衝撃による放電部３ａの変形を抑制することができる。このことは、アノード３の消耗を低減させ、長期間に渡って安定したレーザの出力特性（レーザ出力）を得ることができることを意味する。

さらには、アノード３の放電部３ａの劣化が抑制され、その電極の寿命を延長させることができるので、劣化したアノードの交換などに伴うメンテナンスコストなどを抑制することができる。

次に、上述したガスレーザ用電極１が適用されるガスレーザ装置について、図５を参照して説明する。ここでは、上記ガスレーザ用電極１が取り付けられるレーザチャンバの概要のみを説明することとする。

レーザチャンバ１０は、例えばアルミニウムにニッケルメッキを施すことによって構成した容器である。このレーザチャンバ１０には、光軸Ｌに対向する両端面にそれぞれウインドウ１１、１２を設けている。ウインドウ１１、１２は、レーザチャンバ１０の内部と外部との間におけるレーザ光の通過窓として機能するものである。

レーザチャンバ１０の内部には、光軸Ｌを挟んで互いに上下となる位置に一対の電極ホルダ２０、３０を設けている。電極ホルダ２０には上記図１（ａ）、（ｂ）に示したカソード２が保持されており、また電極ホルダ３０には上記図１（ａ）、（ｂ）または図３（ａ）、（ｂ）または図４（ａ）、（ｂ）に示したアノード３が保持されている。そして、図５から明らかなように、カソード２とアノード３は光軸Ｌを挟んで対向して配置されている。

なお、図５中の符号１３は電源との接続部であり、符号１４はこの接続部１３とカソード２及びアノード３との間に設けたピーキングコンデンサである。

ここで、図５のＹ−Ｙの方向から見た断面を図６に示す。図６においては、接続部１３、ピーキングコンデンサ１４は省略している。また、符号４１、４２はレーザガスの予備電離を行うための予備電離電極である。

図７は、上述したガスレーザ用電極１が適用される他のガスレーザ装置の断面図を示し、図５のＹ−Ｙの方向から見た断面図（図６参照）に相当する。なお、ここでは、上記ガスレーザ用電極１が取り付けられるレーザチャンバの概要のみを説明することとする。図７において、図５及び図６に示した構成要素と同様の機能を果たす部分には同一符号を付している。

熱交換機４０はレーザチャンバ１０内のレーザガスを冷却する。ファン５０は回転することによりレーザガスを循環させる。因みに、図７中符号６１で示される矢印の方向にガスが流れるようになっている。

１ ガスレーザ用電極
２ カソード
３ アノード
４ 誘電体または絶縁体
１０ レーザチャンバ

Claims (4)

1. 対向して配置されるカソードとアノードとを有し、これらの電極間で放電することによりレーザガスを励起させるガスレーザ用電極において、
   前記アノードの電極材質にフッ化膜を形成するカルシウム単体またはカルシウムの合金をドープした
   ことを特徴とするガスレーザ用電極。
2. 請求項１記載のガスレーザ用電極を用いたレーザチャンバ。
3. 請求項２記載のレーザチャンバを搭載したガスレーザ装置。
4. 前記カルシウムの合金は、カルシウムとストロンチウム、マグネシウム、銅、ニッケル、コバルト、鉄、の何れかとの合金である
   ことを特徴とする請求項１記載のガスレーザ用電極。

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