JP2012023172A

JP2012023172A - 電極及び電極材料の構成比率決定方法

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Publication number: JP2012023172A
Application number: JP2010159400A
Authority: JP
Inventors: Joichi Kawamura; 譲一河村
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2012-02-02

Abstract

【課題】レーザ発振器から出射されるレーザビームの性能の低下及び電極消耗量を抑止可能な電極を提供する。
【解決手段】陽極と陰極との間に電圧を印加し、両極間に放電を生じさせるために用いられる電極であって、少なくとも陰極の表層部が、ＮｉとＭｏの合金、またはＮｉとＷの合金で形成されている電極を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電極及び電極を構成する材料の構成比率を決定する方法に関する。電極は、放電発生装置やレーザ発振器等に使用される。

エキシマレーザ発振器においては、レーザチャンバ内の主電極間に高電圧を印加し、主電極間の放電により励起されたレーザガス（レーザ媒質）が元の状態に戻るときに発生する光を取り出す。

図８は、エキシマレーザ発振器の主電極を示す概略図である。主電極７０は、数十ｍｍのギャップを設けて対向配置される、２本の棒状金属（陽極７０ａ、陰極７０ｂ）からなる。陽極７０ａ、陰極７０ｂの対向表面の形状は、電極７０ａ、７０ｂの短尺方向（図８において左右方向）及び長尺方向（図８において紙面垂直方向）に放電を均一に発生させるため、両電極７０ａ、７０ｂ間に生じる電界が均一になるように設計される。

エキシマレーザ発振器においては、レーザガスにＨＣｌが用いられる場合もあることから、主電極７０は、たとえば、電気・物理特性及び耐腐食性に優れたニッケル（Ｎｉ）で形成される。しかしながらＮｉは融点及び硬度が低く、主電極７０をＮｉで形成した場合、放電による電極の消耗が早い。レーザ発振器の運転を長期間継続して行うと、放電による消耗で徐々に主電極７０の表面形状が変化し、放電の均一性が失われてビーム性能が悪化する。このため主電極７０の交換周期が短いという欠点がある。

主電極７０を、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）などの、融点及び硬度が高い材料で形成する場合もある。この場合は、電極７０ａ、７０ｂの消耗が小さく、放電の偏りが少なくなる結果、ビーム性能を長く維持することができる。しかしＮｉとは電気・物理特性が異なるために、放電の状態が悪化し、パルスエネルギを低下させるという問題があった。

レーザ発振器の電極に関する種々の発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１には、電極材料と異なる金属材料、たとえばステンレスや黄銅上に、Ｎｉ、Ｍｏ、またはＷで形成される電極層を積層した積層構造を有する主電極の記載がある。しかしながら特許文献１記載の発明は、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してなされた発明であり、電極層がＮｉ、Ｍｏ、またはＷで形成されているため、上記同様の問題を有する。

特開２００８−１３０８３７号公報

本発明の目的は、たとえばレーザ発振器から出射されるレーザビームの性能の低下及び電極消耗量を抑止可能な電極、及び電極を形成する材料の構成比率決定方法を提供することである。

本発明の一観点によると、陽極と陰極との間に電圧を印加し、両極間に放電を生じさせるために用いられる電極であって、少なくとも陰極の表層部が、ＮｉとＭｏの合金、またはＮｉとＷの合金で形成されている電極が提供される。

本発明の他の観点によると、（ａ）ＮｉとＭｏまたはＷの構成比率とビーム性能との関係、及び、ＮｉとＭｏまたはＷの構成比率と電極の機械強度との関係を表したデータを準備する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）で準備されたデータに基づいて、電極を構成するＮｉとＭｏとの比率、またはＮｉとＷとの比率を決定する工程とを有する電極材料の構成比率決定方法が提供される。

本発明によれば、たとえばレーザ発振器から出射されるレーザビームの性能の低下及び電極消耗量を抑止可能な電極、及び電極を形成する材料の構成比率決定方法を提供することができる。

実施例によるレーザ発振器用電極を用いたエキシマレーザ発振器の概略図である。（Ａ）は、実施例によるレーザ発振器用電極、（Ｂ）〜（Ｄ）は、変形例によるレーザ発振器用電極を示す概略図である。（Ａ）は、ＮｉとＭｏの構成比率を変化させた場合の、電極の機械強度（表面硬度）と消耗量との関係を示すグラフであり、（Ｂ）は、パルスエネルギのＭｏ混合比率依存性、及び、電極機械強度のＭｏ混合比率依存性を示すグラフである。第１の実施例によるレーザ発振器用電極材料の構成比率決定方法を示すフローチャートである。（Ａ）〜（Ｇ）は、ＮｉとＭｏの構成比率とビーム出力との関係、及び、ＮｉとＭｏの構成比率と電極の機械強度との関係を示すグラフである。第２の実施例によるレーザ発振器用電極材料の構成比率決定方法を示すフローチャートである。（Ａ）〜（Ｃ）は、ＮｉとＭｏの構成比率とビーム出力との関係、及び、ＮｉとＭｏの構成比率と電極の機械強度との関係を示すグラフである。エキシマレーザ発振器の主電極を示す概略図である。

図１は、実施例によるレーザ発振器用電極を用いたエキシマレーザ発振器の概略図である。レーザ発振器は、レーザチャンバ１０、コロナ予備電極２０、主電極３０、パルス電源４０、熱交換器５０、及び循環用ファン６０を含んで構成される。

レーザチャンバ１０内には、たとえばＨＣｌ、Ｘｅ、及びＮｅからなる混合ガスが供給されている。コロナ予備電極２０は、レーザチャンバ１０内の封入ガスに予備電離を生じさせる。

主電極３０は、陽極３０ａと陰極３０ｂとから構成され、コロナ予備電極２０の近傍に配置される。両電極３０ａ、３０ｂは、たとえばともにＮｉとＭｏの合金で形成されている。電極３０ａ、３０ｂは、レーザチャンバ１０の長手方向（図１において紙面垂直方向）に延在する棒状に形成され、数十ｍｍのギャップを設けて対向配置される。陰極３０ｂはアースされている。両電極３０ａ、３０ｂ間には、パルス電源４０が電気的に接続されている。パルス電源４０は、電極３０ａ、３０ｂ間にパルス電圧を印加することができる。印加されたパルス電圧によって、電極３０ａ、３０ｂ間に放電が生じ、放電により励起された封入ガスが元の状態に戻るときに光が発生する。発生した光は、レーザチャンバ１０の長手方向に進行するレーザ光として取り出される。

熱交換器５０は、混合ガスを冷却する。循環用ファン６０は、レーザチャンバ１０内の混合ガスを周方向に循環させる機能を有する。

図２（Ａ）は、実施例によるレーザ発振器用電極、図２（Ｂ）〜（Ｄ）は、変形例によるレーザ発振器用電極を示す概略図である。

図２（Ａ）に示す実施例によるレーザ発振器用電極は、陽極３０ａ、陰極３０ｂともにＮｉとＭｏの合金で形成されている。Ｎｉよりも融点及び硬度の高い材料であるＭｏをＮｉに混合することで、電極３０ａ、３０ｂの機械強度を増加させ、放電による電極消耗量を少なくし、電極の交換周期を長くすることができる。またＮｉの電気・物理特性を残すことにより、ビーム性能の低下、たとえば出力（パルスエネルギ）の低下、パルスエネルギの不安定性（レーザパルスごとのパルスエネルギのバラツキ）の増大、レーザビームの拡がり角の増加等を抑止することができる。

図２（Ｂ）に示す変形例においては、陰極３０ｂのみがＮｉとＭｏの合金で形成され、陽極３０ａは、Ｎｉ、Ｍｏ、またはＷで形成されている。本願発明者の研究の結果、陰極３０ｂのみをＮｉとＭｏの合金で形成し、陽極３０ａを、Ｎｉ、Ｍｏ、またはＷで形成した場合にも、実施例と同程度にレーザビーム性能の低下を抑止できることがわかった。したがって電極消耗量抑止の観点からは、陽極３０ａは、硬度の高いＭｏまたはＷで形成することが望ましい。

図２（Ｃ）に示す変形例においては、陽極３０ａ及び陰極３０ｂの表層部、たとえば表面からの深さが０．５ｍｍ〜１ｍｍの領域のみがＮｉとＭｏの合金で形成されている。すなわち、図２（Ｃ）に示す変形例においては、電極３０ａ、３０ｂは、たとえばＳＵＳやＣｕ等の金属で形成される基材上に、ＮｉとＭｏの合金層が積層される構成を有する。

図２（Ｄ）に示す変形例においては、陰極３０ｂのみが、ＳＵＳやＣｕ等の金属で形成される基材上に、ＮｉとＭｏの合金層が積層される構成を有する。合金層は、陰極３０ｂの表層部、たとえば表面からの深さが０．５ｍｍ〜１ｍｍの領域に形成される。陽極３０ａは、Ｎｉ、Ｍｏ、またはＷ、好ましくはＭｏまたはＷで形成される。

このように少なくとも陰極３０ｂの表層部を、ＮｉとＭｏの合金で形成することにより、レーザビームの性能の低下を抑止するとともに、電極消耗量を少なくすることができる。

本願発明者は、ＮｉとＭｏの構成比率（混合比率）が異なる合金で複数の主電極を作製し、種々の実験を行った。以下に示す結果は、本願発明者の研究の成果である。

図３（Ａ）は、ＮｉとＭｏの構成比率を変化させた場合の、電極の機械強度（表面硬度）と消耗量との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、一般的な機械強度測定により測定された電極の機械強度を表し、縦軸は、エキシマレーザ発振器の運転により消耗された電極の消耗量を単位「％」で表す。αはＮｉのみで形成された電極についての機械強度と消耗量の値を示す。βはＭｏのみで形成された電極についてのそれらを示す。γは構成比率がＮｉ７０％、Ｍｏ３０％の合金で作製された電極に関するそれらを表す。なお、消耗量は、Ｎｉのみで形成された電極のそれを１００％として規格化してある。

測定結果から、「背景技術」で述べたように、Ｍｏ電極はＮｉ電極よりも機械強度が強く、電極消耗量が小さいことがわかる。また、ＮｉにＭｏを混合して作製した電極は、Ｍｏ電極よりも強い機械強度、及びＭｏ電極と同程度の小さい電極消耗量を実現可能であることが看取される。更に、電極の機械強度と消耗量とは、機械強度が増加すると消耗量が１次関数的に減少する関係にあることもわかる。本図から、電極の機械強度を、放電による電極消耗量の代替指標とすることができることも理解されるであろう。

図３（Ｂ）は、パルスエネルギのＭｏ混合比率依存性、及び、電極機械強度のＭｏ混合比率依存性を示すグラフである。グラフの横軸は、Ｍｏ混合比率を単位「％」で表し、縦軸は、レーザ発振器から出射されるレーザビームのパルスエネルギ、及び電極の機械強度を表す。直線ａは、主電極におけるＭｏ混合比率と、出射されるレーザビームのパルスエネルギとの関係を示す。曲線ｂは、主電極のＭｏ混合比率と機械強度との関係を示す。なお、直線ａにおいては、Ｎｉ電極（Ｍｏ混合比率０％）を用いたときに出射されるレーザビームのパルスエネルギを１００％として規格化してある。

直線ａより、主電極のＭｏ混合比率が増加すると、レーザ発振器から出射されるレーザビームのパルスエネルギは、１次関数的に減少することがわかる。

曲線ｂより、主電極の機械強度は、Ｍｏ混合比率の増加に伴い、混合比率が１０％未満の範囲では急激に、１０％以上３０％以下の範囲では緩やかに増大し、Ｍｏ混合比率が３０％のときに最大となることがわかる。Ｍｏ混合比率が３０％を超えると、機械強度は極めて緩やかに減少する。また、Ｍｏ混合比率が１０％以上の範囲においては、十分な機械強度を得ることができるといえるであろう。

なお、本願発明者が行った、図３（Ａ）及び（Ｂ）に結果を示した実験とは別の実験から、５０％を超える比率でＭｏを混合することは好ましくなく、Ｍｏの混合比率は０％より大きく５０％以下とすることが望ましいと考えられる結果が得られた。

また、図３（Ｂ）の結果に示されるように、Ｍｏ混合比率が３０％を超える範囲においては、Ｍｏ混合比率の増加とともに、レーザビームのパルスエネルギ、電極の機械強度の双方が低下する。この点を考慮すると、Ｍｏの混合比率は０％より大きく３０％以下とすることがより望ましい。

更に、図３（Ｂ）の曲線ｂに示す結果からは、Ｍｏ混合比率が１０％以上の範囲においては、十分な機械強度を得ることができる一方で、１０％未満の範囲においては、所望の機械強度を得るためのＭｏ混合比率のマージンが小さい。この点を加味すると、Ｍｏの混合比率は１０％以上３０％以下とすることが一層望ましい。

次に、実施例によるレーザ発振器用電極材料の構成比率決定方法を説明する。まず、図４及び図５（Ａ）〜（Ｇ）を参照して、第１の実施例について説明する。

図４は、第１の実施例によるレーザ発振器用電極材料の構成比率決定方法を示すフローチャートである。また、図５（Ａ）〜（Ｇ）は、ＮｉとＭｏの構成比率とビーム出力との関係、及び、ＮｉとＭｏの構成比率と電極の機械強度との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、Ｍｏ混合比率を単位「％」で表し、縦軸は、レーザ発振器から出射されるパルスレーザビームの出力、及び電極の機械強度を表す。直線ａは、主電極におけるＭｏ混合比率と、出射されるパルスレーザビームの出力との関係を示す。曲線ｂは、主電極のＭｏ混合比率と電極の機械強度との関係を示す。

第１の実施例によるレーザ発振器用電極材料の構成比率決定方法においては、まずステップＳ１０１において、ＮｉとＭｏの構成比率とビーム性能、たとえばビーム出力との関係、及び、ＮｉとＭｏの構成比率と電極の機械強度との関係を表したデータを準備する。これはたとえば図３（Ｂ）や図５（Ａ）〜（Ｇ）に示したデータである。なお、これらのデータは前述したように、本願発明者の研究の成果である。また、電極の機械強度は、放電による電極消耗量の代替指標という意味を有する。

続いて、ステップＳ１０２において、ビーム出力の要求値、機械強度の要求値、及び構成比率の決定に当たり、ビーム出力と機械強度のどちらを優先させるかを決定する。

そして、ステップＳ１０３において、構成比率がＮｉ５０％、Ｍｏ５０％であるときのビーム出力及び機械強度と、それぞれに対する要求値とを比較する。

ステップＳ１０３において、Ｎｉ５０％、Ｍｏ５０％であるときのビーム出力及び機械強度がともに要求値以上である場合（たとえば図５（Ａ）に示す場合）、ステップＳ１０４に進み、構成比率をＮｉ５０％、Ｍｏ５０％に決定する。

ステップＳ１０３において、ビーム出力、電極の機械強度のうち、少なくとも一方が要求値未満の場合、ステップＳ１０５〜Ｓ１１０のいずれかに進む。

この場合、ステップＳ１０２でビーム出力を優先させると決定した場合は、ステップＳ１０５〜Ｓ１０７のいずれかに進む。

ビーム出力が要求値以上であり、機械強度が要求値未満である場合（たとえば図５（Ｂ）に示す場合）、ステップＳ１０５に進み、優先項目であるビーム出力が要求値を満たしているため、構成比率をＮｉ５０％、Ｍｏ５０％に決定する。

ビーム出力が要求値未満であり、機械強度が要求値以上である場合（たとえば図５（Ｃ）に示す場合）、ステップＳ１０６に進み、優先項目であるビーム出力が要求値と等しくなるように構成比率を決定する。すなわち、ビーム出力がその要求値に一致するときのＭｏ混合比率をＡ％とすると、Ｎｉ（１００−Ａ）％、ＭｏＡ％の合金で電極を作製する。

ビーム出力、機械強度がともに要求値未満である場合（たとえば図５（Ｄ）に示す場合）、ステップＳ１０７に進み、優先項目であるビーム出力が要求値と等しくなるように構成比率を決定する。すなわち、ビーム出力がその要求値に一致するときのＭｏ混合比率をＡ％とすると、Ｎｉ（１００−Ａ）％、ＭｏＡ％の合金で電極を形成する。

ステップＳ１０２で機械強度を優先させると決定した場合は、ステップＳ１０８〜Ｓ１１０のいずれかに進む。

ビーム出力が要求値以上であり、機械強度が要求値未満である場合（たとえば図５（Ｅ）に示す場合）、ステップＳ１０８に進み、優先項目である機械強度が要求値と等しくなるように構成比率を決定する。すなわち、機械強度がその要求値に一致するときのＭｏ混合比率をＢ％とすると、Ｎｉ（１００−Ｂ）％、ＭｏＢ％の合金で電極を作製する。

ビーム出力が要求値未満であり、機械強度が要求値以上である場合（たとえば図５（Ｆ）に示す場合）、ステップＳ１０９に進み、優先項目である機械強度が要求値を満たしているため、構成比率をＮｉ５０％、Ｍｏ５０％に決定する。

ビーム出力、機械強度がともに要求値未満である場合（たとえば図５（Ｇ）に示す場合）、ステップＳ１１０に進み、優先項目である機械強度が要求値と等しくなるように構成比率を決定する。すなわち、機械強度がその要求値に一致するときのＭｏ混合比率をＢ％とすると、Ｎｉ（１００−Ｂ）％、ＭｏＢ％の合金で電極を形成する。

このように、ＮｉとＭｏの構成比率とビーム出力との関係、及び、ＮｉとＭｏの構成比率と電極の機械強度との関係を表したデータを参照し、これに基づいて、ビーム出力、電極の機械強度のうちの少なくとも一方、少なくとも優先させると決定した一方が要求値を満たすように、電極材料の構成比率を決定することで、レーザ発振器の性能を向上させることができる。

次に、図６及び図７（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、第２の実施例について説明する。図６は、第２の実施例によるレーザ発振器用電極材料の構成比率決定方法を示すフローチャートである。また、図７（Ａ）〜（Ｃ）は、ＮｉとＭｏの構成比率とビーム出力との関係、及び、ＮｉとＭｏの構成比率と電極の機械強度との関係を示すグラフである。グラフの両軸、直線ａ、及び曲線ｂの示すところは、図５（Ａ）〜（Ｇ）におけるそれらと等しい。

第２の実施例によるレーザ発振器用電極材料の構成比率決定方法においては、ステップＳ２０１において、ＮｉとＭｏの構成比率とビーム性能、たとえばビーム出力との関係、及び、ＮｉとＭｏの構成比率と電極の機械強度との関係を表したデータ、たとえば図３（Ｂ）や図７（Ａ）〜（Ｃ）に示したデータを準備する。

続いて、ステップＳ２０２において、ビーム出力の要求値、機械強度の要求値、及び構成比率の決定に当たり、ビーム出力と機械強度のどちらを優先させるかを決定する。

そして、ステップＳ２０３において、機械強度が最大となる構成比率、たとえば図３（Ｂ）や図７（Ａ）〜（Ｃ）に示したデータにおいては、構成比率がＮｉ７０％、Ｍｏ３０％であるときのビーム出力を要求値と比較する。

ステップＳ２０３において、Ｎｉ７０％、Ｍｏ３０％であるときのビーム出力が要求値以上である場合（たとえば図７（Ａ）に示す場合）、ステップＳ２０４に進み、構成比率をＮｉ７０％、Ｍｏ３０％に決定する。

ステップＳ２０３において、ビーム出力が要求値未満の場合、ステップＳ２０５、Ｓ２０６のいずれかに進む。機械強度の要求値を満たす最小のＭｏ混合比率をＣ％とし、ビーム出力の要求値を満たす最大のＭｏ混合比率をＤ％とするとき、Ｃ≦Ｄの関係があれば（たとえば図７（Ｂ）に示す場合）、ステップＳ２０５に進み、Ｃ＞Ｄの関係があれば（たとえば図７（Ｃ）に示す場合）、ステップＳ２０６に進む。

ステップＳ２０５においては、ステップＳ２０２でビーム出力を優先させると決定した場合は、Ｎｉ（１００−Ｃ）％、ＭｏＣ％の構成比率に決定する。ステップＳ２０２で機械強度を優先させると決定した場合は、Ｎｉ（１００−Ｄ）％、ＭｏＤ％の構成比率に決定する。

ステップＳ２０６においては、ステップＳ２０２でビーム出力を優先させると決定した場合は、Ｎｉ（１００−Ｄ）％、ＭｏＤ％の構成比率に決定する。ステップＳ２０２で機械強度を優先させると決定した場合は、Ｎｉ（１００−Ｃ）％、ＭｏＣ％の構成比率に決定する。

第２の実施例においても、ＮｉとＭｏの構成比率とビーム出力との関係、及び、ＮｉとＭｏの構成比率と電極の機械強度との関係を表したデータを参照し、これに基づいて、ビーム出力、電極の機械強度のうちの少なくとも一方、少なくとも優先させると決定した一方が要求値を満たすように、電極材料の構成比率を決定することで、レーザ発振器の性能を向上させることができる。

なお、第１及び第２の実施例においては、考慮するビーム性能をビーム出力としたが、レーザパルスごとのパルスエネルギのバラツキや、レーザビームの拡がり角等をビーム性能として考慮することも可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。

たとえば、実施例においては、主電極３０（陽極３０ａ及び陰極３０ｂ）をＮｉとＭｏの合金で形成したが、ＮｉとＷの合金で形成してもよい。変形例についても同様である。

電極材料の構成比率決定方法においては、ＮｉとＷの構成比率とビーム性能との関係、及び、ＮｉとＷの構成比率と電極の機械強度との関係を表したデータを準備し、これに基づいて電極材料（ＮｉとＷ）の構成比率を決定する。

また、実施例においては、ガスが封入されたチャンバ内に互いに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、レーザビームを発生させるレーザ発振器であるエキシマレーザ発振器の主電極について述べたが、放電発生装置に使用される電極等、広く、陽極と陰極との間に電圧を印加し、両極間に放電を生じさせるために用いられる電極に適用可能である。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

放電発生装置に使用される電極、エキシマレーザ発振器の主電極等に利用することができる。

１０レーザチャンバ
２０コロナ予備電極
３０主電極
３０ａ陽極
３０ｂ陰極
４０パルス電源
５０熱交換器
６０循環用ファン
７０主電極
７０ａ陽極
７０ｂ陰極

Claims

陽極と陰極との間に電圧を印加し、両極間に放電を生じさせるために用いられる電極であって、
少なくとも陰極の表層部が、ＮｉとＭｏの合金、またはＮｉとＷの合金で形成されている電極。
ＭｏまたはＷの構成比率が０％より大きく５０％以下である請求項１に記載の電極。
ＭｏまたはＷの構成比率が０％より大きく３０％以下である請求項２に記載の電極。
ＭｏまたはＷの構成比率が１０％以上３０％以下である請求項３に記載の電極。
陰極の表層部のみがＮｉとＭｏの合金、またはＮｉとＷの合金で形成されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極。
（ａ）ＮｉとＭｏまたはＷの構成比率とビーム性能との関係、及び、ＮｉとＭｏまたはＷの構成比率と電極の機械強度との関係を表したデータを準備する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）で準備されたデータに基づいて、電極を構成するＮｉとＭｏとの比率、またはＮｉとＷとの比率を決定する工程と
を有する電極材料の構成比率決定方法。
前記工程（ｂ）が、
（ｂ１）前記ビーム性能の要求値、及び前記電極の機械強度の要求値を決定する工程と、
（ｂ２）前記ビーム性能の要求値、前記電極の機械強度の要求値の少なくとも一方が満たされるように、前記電極を構成するＮｉとＭｏとの比率、またはＮｉとＷとの比率を決定する請求項６に記載の電極材料の構成比率決定方法。