JPS59227183A - 希ガス・ハロゲン・エキシマレ−ザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分デｆの説明） 本発明は紫外線発光源等に利用される希ガス・ハロゲン
・エキシマレーザ装置に関する。

（従来技術） 希ガス・ハロゲン・エキシマレーリ！装置は、高い効率
で高出力の紫外または直空紫外領域のパルス状のレーザ
光を出力することができるので広く用いられている。

希ガス・ハロゲン・エキシマレーデ装置において励起状
態にある希ガスと基底状態にあるハロゲンの結合した分
子くエキシマ分子）の寿命が基底状態にある希ガスとハ
ロゲンの結合した分子の寿命に比べて極めて長い。

したがって、希ガスハロゲン分子のエネルギー反転分布
の状態が得やすい。

希ガスとハロゲンの混合ガスを放電するごとによって励
起状態のエキシマ分子を作ることができる実用的なレー
ザである。

しかしながら従来の拮ガス・ハロゲン・エキシマレーザ
装置は寿命の点で問題があった。

従来この希ガス・ハし１ゲン・エキシマレーデを発生ず
るレーザ装置は内部に含んだハロケンカスに対して耐久
性を持たせる必要から管壁の絶糾体にはアクリル樹脂等
の合成樹脂が使われている。

第１図は前記従来の希ガス・ハロゲン・エキシマレーデ
・装置を示す斜視図である。第２図は前記装置の短手方
向の断面図である。

各図において１は外管を形成するアクリル樹脂製の円筒
である。

このアクリル樹脂製の円筒１の両端には、アクリル板２
ａ、２ｂにより封じられ°ζいる。

このアクリル板２ａ、　　２ｂの中心開口部にアクリル
円筒３ａ’、３ｂがそれぞれ固定されこのアクリル円筒
３ａ、３ｂの先端に紫外線を透過するふ一９化マグネシ
ウムの窓板４ａ、４ｂを管軸に幻して３４゛に取り４１
けである。

なお管軸とは左右のアクリル円筒３ａ、３ｂの円内中心
を結んでできる直線である。

一対のアルミニウム製の電極５ａ、５ｂは一管軸をはさ
んで、これに平行に配置されてむ１ろ。

フィー；゛スルー６ａ〜６１はフルミニウノ、製の電極
５ａ、５ｂを前記の位置に指示するとともＧこ、１ｉｋ
電に必要な電流を供給するだめの構成部分で、銅で形成
されている。アルミニウノ、製の電極５ａとフィーｌ−
スルー６ａ〜６ｆはア７１ベニウノ、、製の電極５ａの
対応部分にめねしを設りておき、フィ−ｌスルー６ａ〜
６ｆに設りたおねしを′Ａコし結合さ・けることにより
行われる。アルミニウム製の電極５ｂとフィードスルー
６ｇ〜６ｅも間柱の手段により結合されている。

放電電極７は第２図に示すように、一対のテＪレミニウ
ム製の電極５ａ、５ｂの対向領域の一方側に設けられて
いる。

この放電電極７により、一対のア／ｌ／ミニウム１２の
電極５ａ、５ｂの電極間で行われる主なるｈ（電よりも
約１マイクロ秒だけ前に放電が開始さ４１．、この予備
的な放電によってレーザ媒質ガスｌＪ（、空間的に均一
に電離され、主なる放電が起こる。

フィードスルー８ａ〜８Ｃは電極７をレーザ管内の所定
位置に取り付け、かつ前記予備的な放電に必要な電流を
供給する。アリクル板２ａ、２ｂとアクリル円筒３ａ、
３ｂの接合、前記フィードスルー６ａ〜６β、８ａ〜８
Ｃとアクリル樹脂製の円筒１の接合およびアクリル板２
ａ、２ｂとアクリル樹脂製の円筒ｌの接合には主として
アクリル樹脂専用の接着剤（例えば「アクリメイト−１
三菱レ一ヨン社の商品名、「１・−ルシール」ハリアン
社の商品名、「アラルダイト」チバ・ギガー汁の商品名
）が用いられる。

第３図は放電電極７を取り出して一部を破断して示した
図である。

アルミナのセラミックス管７１の内部にＰ１ｍｉ’！　
７２が差し込まれている。

セラミックス管７１の外表面上には娘ペーノ、１−を焼
き込んで作られた島状の電極７３ａ・・７３１１が設け
られている。３本のフィーｌ−スルー８のうち両端の２
本は両端の島状電極７３に接続され、中心のフィードス
ルーは中心に位置する島扶重Ｉ所７３にそれぞれに接続
され、同時に７２のｔ＋ｘ＋　棒とも接続されている。

銅棒７２は中心のフィートスルー８ｂのめとｉ９．続さ
れ、両醪、１のフィートスルー されている。高電圧電源の高電圧端子を両端のフィード
スルー８ａ，８ｃにつなぎ、低電圧端子を中心のフィー
ドスルー８ｂにつなくと、最初両端の島状電極例えば７
３ａとこれのすく隣の島状電極７３ｂの間で放電が生し
、次いでこの放電は次々に隣合った島状電極を伝わって
中心の島状電極に達する。このよ・うな予備的な放電に
よって主なる放電の始まる前に、封入ガスを電離する。

以」二のように従来の希ガス・ハしオゲン・エキシマレ
ーザ装置は管’ｆＡ　１”）としてアクリル樹脂，アル
ミニウム、ぶつ化マグネシウム、アルミナ・セラミック
ス、銅，銀ペースト、接着剤等で作られ、ハロゲンに対
して耐久性のある＋Ａ料が使われてきた。

このうちアルミニウムはノｓｌコゲンガスに対する耐久
性が大きいうえに、放電時にスパックリングが少なくレ
ーザ管の電極材料として優秀である。

しかし、アクリル、接着剤等の合成樹脂は高温に耐えら
れないから真空排気して加熱し、Ｌ−一！Ｉ管の内壁に
吸着したガスを除去した状態で希カッ、。

ハロゲンガスをレーザ管内に導入することがてきず、所
定のガスを導入した後にレーｇ！発光に′１′ｉ古なガ
スが、気密容器内に放出する。

特に水が放出されたときは、ハロゲンガスと反応してハ
ロゲン化水素を生成するために、ハロゲンガスが所定の
量から減少することになり、長；ｆＦ　Ｑのレーザ管は
得られなかった。

そこで、前記形式の希ガス・ハロゲン・工ご１シマレー
デ装置では、レーザ管を排気装置および所望のガス供給
源と接続しておき、必要に応じ′ＣＩ・ーザ管内のガス
を入れ換える必要があった。

この不都合を解決するためにさらに他の希ガス・ハロゲ
ン・エキシマレーザ装置が提案され実施されている。

第４図はこの希ガス・ハロゲン・エキシマレーデ装置を
示す斜視図である。第５図は第４図に示すレーザ装置の
短手方向の断面図である。

外管を成形する円筒１０は前述の実施例と異なりアルミ
ナ・セラミックスで作られている。

前記アルミナ・セラミックス円筒ＩＯの両端面にはステ
ンレス鋼板２０ａ，２０ｂが配置され′ζいる。各ステ
ンレスｔＦ１４反２０ａ，２０ｂの中央の開Ｌ１部にｔ
ｒｉステン１／ス相円筒３０ａ、３０ｂが固定されてお
り、ぶつ化マグネシウムの窓板４ａ．４ｂを管軸に対し
て３４°に取りイ；Ｊ番ノてある。

二１パール合金製の主たる放電のための電ｔｉ５（ｌａ
。

５０ｂは先に示した従来例と同様に銅製のフィートスル
ー６ａ〜６ｊが結合されている。

予備的な放電に必要な予備放電？ｌＸ極７　（第５図参
照）の溝底は先に説明した所と変わらない。この予備放
電電極７にはフィートスルー８３〜８（５が結合されて
いる。

アルミナ・セラミックス円筒１０と両端面に配置された
ステンレス鋼板２Ｑａ，　　２Ｑｂは、コバール合金円
筒備的１２ａ，１２ｂを介して接続されている。アルミ
ナ・セラミックス円筒１０の前記主放電用の電極５０２
．５０１）に関連するフィードスルー６ａ〜６ｊおよび
予備放電用の電極７に関連スる７　’＜　−　Ｆスルー
８ａ〜８Ｃに対応する部分には孔が設けられており、こ
れらのフィー１＝’スルーは、コバール合金製のキャン
プ１３・・１３を介してアルミナ・セラミックス円筒１
０に固定されている。

各部材の組立・結合はエポキシ樹脂等による接着法（従
来法）は行わず、ろう付り、アーク溶接、粉末ガラスを
用いた接着法で行っである。

すなわち、セラミックス円筒ｌＯとコバール合金円筒１
２ａ，１２ｂは、セラミックス円筒１　（ｌの結合部を
あらかじめメタライズした後に、このメタライズ部分と
コバール合金円筒１２ａ，１２ｂをろう付けする。

コパール合金円ｍ　ｌ　２　ａ　、　　１　２　ｂとス
テンＬ・ス泪円板２０ａ，２０ｂはアーク熔接法で接続
する。

ステンレス鋼円板２０ａ．２０ｂとステンレス鋼円筒３
０ａ，３０ｂはアーク熔接法で接続する。

ステンレス鋼円筒３０ａ，３０ｂとふつ化−ングネシウ
ム窓板４ａ，４ｂの結合はわ）末ガラス育加熱溶融する
ごとによって結合する接盾法に、に、っている。

フィートスルー６ａ〜６ｊ１８ａ〜８Ｃとコバール合金
製のキャンプ１３・・１３、コバール合金製のキャップ
１３・・１３とセラミックス円筒１０は、ろう付は法社
よって行われる。

この第４図に説明したレーザ装置の外管はセラミックス
を成形したものであるから、高温まで加熱できるため、
排気時に加熱してレーザ簀内壁に吸着したガスを極力少
なくすることができる。

管壁材のアルミナ・セラミックスはハＬ１す゛ンガスに
対して耐久性が大である」二にｉｎｉ温・加熱が可能で
、かつ組織が緻密であるから、希ガス・ハロゲン・エキ
シマレーザの刺じ切り管材料として適当である。また、
ステンレス招はハロゲンガスに対する耐久性が金属のう
らでは大きく、これも封じ切り管材料として適当である
。

このように外管をアルミナ・セラミックスとした希ガス
・ハロゲン・エキシマレーデ装置（以下第４し１の装置
と言う）と第１図に関連して説明した外管をアクリルと
した希ガス・ハロゲン・エキし・マレーザ装置（以下第
１図の装置と言う）を条イ！１を揃えて比較すると前者
の方が遥かに長い時間安定して動作することが確認でき
る。

何れの管にも波長２４８ｎａｎｏｍを発生するＫ　ｒＦ
（ぶつ化クリプトン）の希ガス・ハロケン・エキシマレ
ーザのレーザ媒質ガスとしてクリプトン（Ｋｒ）３６ト
ール、ふっ素（Ｆ’２　）　　２　ｌ・−ル。

ヘリウム（Ｈｅ）１１６２トールをシー９！管内に封入
する。

主たる放電は容量３２ｎａｎｏＦのキャパシタを電圧２
３に’Ｖで充電して（ｑられる電気エネルギーで、予備
的な放電は容量６ｎａｎｏ　　Ｆのキ、トパシクを電圧
１６ｋＶで充電して得られる電気エネルギーで、かつ予
備的な放電が始まってから約ｌマイクシＩＩＩ）後に主
なる放電が始ま−るように、レーザ管をパルス放電させ
る。なお放電の間隔は１秒間に１回とする。

第４図の装置では最初１７０ＫＷの出力で発振し、その
後約４Ｘ１０５回の放電までし・−ザ発振ｉ’ｉＪ能で
ある。

これに対して第１図の装置では、最初１１０ＫＷの出力
でレーザ発振したものが、１００回の発光でレーデ発振
を示さなくなった。

このように第４図の装置の寿益が向上したのはアルミナ
・セラミックス管を加熱排気できるので、有害ガスの発
生や水の発生を少なくし管内のノ＼ｒ１ゲンガスの減少
を防止できたからである。

発明者等が第４図の装置のレーザ発振停止の原因を検討
したところ、主なる放電を行う電極に使用したコバ−ル
合金が原因であることがわかった。

コバール合金はアルミナ・セラミックスと膨張係数が近
い。

コバール合金の線膨張係数は５．　（ｌ　ｘ　１０−１
Ｎ１　／’Ｃ）、アルミナ・セラミックスの線膨張係数
は６．５Ｘ　１０−６１　／”ｃである。

レー力′管を加熱して、軸方向の伸びを考えたとき、電
極の熱膨張はアルミナ・セラミックス管の熱膨張と同程
度でなければならない。もしこれが満たされないと、コ
バール一部＋Ａ１３とセラミ・ノクス管ｌＯの結合部で
大きな歪みが発生し、ノタラ、イズ層の剥離あるいは、
セラミックス管が破ＩＴする。

以上の理由によりレーデ管加熱時の破壊を避りるために
電極にコバールを用いなＬＪればならないが、このコバ
ールの性質によってレーデ装置の寿命が決められている
。

すなわちコバールは放電時のスパックリングが犬で、ス
パッタしたコバール粉末が管内を漂って窓板に付着し、
紫外線透過率を著しく低下さ−Ｖている。

また、コバールは放電中にハロゲンガスと反応し、その
結果管内のハロゲンガス■が低下してｌ・−リ゛−発振
が停止することになった。

−（発明の目的） 本発明の目的は従来の希ガス・ハロケン・エキシマレー
ザ装置の封し切り管、封し切り管内の電極、封し切り管
内のガスの相互の関連におい°ζ発生ずる問題を解決し
、より長い時間安定して動作することができる希ガス・
ハロゲン・エキシマレーザ装置を提供することにある。

（発明の構成と作用） （発明の構成） 前記目的を達成するために本発明による希ガス・ハ１：
１ゲン・エキシマレーザ装置は耐熱性の管壁内に管軸に
沿って配置される放電電極を複数本のフィードスルーに
より前記レー９゛管壁に固定する［の希ガス・ハロゲン
・エキシマレージ′装置において、前記放電電極の基本
形状を前記耐熱性の管壁材料と線膨張係数がほぼ同じで
ある金属により形成しその表面にハロゲンガスにり１し
て耐食性の大きい金属屑を形成して構成されている。　
前記構成によれば、前述した問題は総て解決され、高温
加熱のできる封じ切りレーザ管を用いた希ガス・ハロゲ
ン・エキシマレーザ装置の理想とする基本的な条件を総
て満たすことができる。

（実施例の説明） 以下図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。

第６図は、本発明による希ガス・ハロゲン・エキシマレ
ーザ装置で使用する主放電電極の実施例を示す長平方向
断面図、第７図は同じく短手方向の断面図である。この
主放電電極１４の母体金属はコパール全屈である。コバ
ール金属部分を図中１４ａで示しである。主放電電極１
４の母体金属部分の長さは、４０ｃｍ、高さ１ｃｍ、幅
１．３　ｃ　ｒｎである。

図中上方向に現れる各稜線はエツジができないように丸
めである。これは図中矢印の示す方向に電界をか４ノ放
電を行わせる場合に−・様な放電面が形成されるように
するためである。

前記母体金属部分１４ａの表面に溶剤性によってアミニ
ウム層１４ｂを形成する。

溶剤性は金属粉末を高温高速のガスによって対象物に吹
き付けて、高温の金属微粉を対象物に強い結合力で付着
あるいは溶着させる技術である。

この実施例では、溶剤性によりアルミニウム旧１４ｂ璧
約０．５　ｍ　ｒｎの厚さで母体金属であイ）：ｌバー
ル金属表面に付着した。

なおこの厚さは１０　ｔｔ　ｍ　−１，Ｏｍｒｎ位の範
囲ζ１玉息に調整できる。

この溶射によって得られたアルミニウムＨＩ　４　ｂは
緻密であり、通雷のアルミニノ・つと全く変わらない。

またこの溶射によって１ｑられた主電極１４をｌｉ体で
４００℃までの加熱をしたが、アルミニウム層１４ｂは
剥離しなかった。

前記工程で形成された一対の主電極１４を第４図に関連
して説明した従来の希ガス・ハロゲン・エキシマレーザ
装置の主電極５０ａ、５０ｂの位置に全く同様にして配
置する。

レーザ管を約３００“Ｃで６時間力１げハしながら排気
した後にクリプトン（Ｋｒ）を３６１・−ル、フッ素（
Ｆ２）を２トール、ヘリウム（）Ｊｅ）を１１６２トー
ル封入し封じ切る。

前記のようにし゛ζ製造された実施例装置の試験結果を
説明する。

主なる放電のエネルギーとしては、容量３２　ｎａｎ。

Ｆのキャパシタを電圧２３ＫＶで充電して得られる電力
を用い、また予備的な放電のエネルギーは容ＦＪ　６　
ｎａｎｏ　　Ｆのキャパシタを電圧１　［ｉ　Ｋ　Ｖで
充電して冑られる電力を用いる。

予備的な放電が始まゲζから約１マイクロ秒（糸に主な
る放電が始まるようにして、レーザ装置を毎秒１回の割
合でパルス放電させた。

発振が停止するまで連続的に動作させたところ、約５Ｘ
１０６回の放電が可能であることが判明した。

第８図は主放電電極１４のさらに他の実施例の長平方向
断面図である。

第６図および第７図に示した実施例は母体金属のコバー
ル１４ａの全面をアルミニウム層１４ｂで覆った。

この実施例は第８図のように主放電電極１４の放電側の
面だけをアルミニウムｍ　１４　ａで覆うようにしたも
のである。

全面を被覆する方が優れているが、この放電側の面だけ
をアルミニウムＮ　１４　ａで覆うことによ−９でも、
充分な延命効果を期待できる。

この理由は、ハロゲンガスは放電によってより強く活性
化されて周囲物質と反応するが、放電領域をはずれれば
、反応性が弱くなるからである。

すなわら、放電面だけをハロゲンガスと反応しにくいア
ルミニウム、Ｃ蔽うののでも打効となる。

アルミニウムで被覆され′ζいない所は力Ｕ　：Ｃが容
易であるから、フィードスルーの結合作業には便利であ
る。

前述の実施例では主放電電極に耐食性の大きい金属とし
てアルミニウムを用いたが、ニッケル、コバルト、ステ
ンレス鋼でも同様の効果が確かめられた。

（発明の詳細な説明） 以」二説明したように、本発明による希ガス・ハロゲン
・エキシマレーザ装置は、放電管の基本形状を耐熱性の
管壁材料を用いているから、耐熱性の管壁材料の充分な
ガス出しが可能である。また前記管壁に固定される主放
電電極を前記耐熱性の管壁材料と略おなし膨張係数をも
つ金属材料で形成しであるので、温度の変化により歪が
発生しない。

前記主放電？Ｕ極の表面にハロゲンガスにダｌして耐食
性の大きい金属層を形成しであるから内ｆ）１−の金属
の散逸や、ハロゲンガスとの化合は防止され長い時間安
定して動作する希ガス・ハ言コゲン・ｊ−キシマレーザ
装置が得られる。

第９図に先に説明した従来装置と本発明による装置の寿
命試験の結果をまとめて示しである。

縦軸は出力（ＫＷ）　、横軸は発振回数を対数で示して
いる。図においてＩの示す曲線が第１図の装置の特性、
■の示す曲線が第４図の装置の特性、■の示す曲線が本
発明による装置の特性を示している。

本発明の電極を用いたレーザ管が長寿命となったのは、
アルミニウムを使うことによって電極スパッタリングか
少なくなり、窓板が汚れにくくなったこと、電極のハロ
ゲンガスに対する耐久性が増した結果、ハロゲンガスの
減少が防止されるよ・うになったことによる。

【図面の簡単な説明】

第１図は希ガス・ハロゲン・エキシマレーリ′装置の従
来例を示す斜視図である。 第２図は前記装置のレーザ管の断面図である。 第３図は予備的な放電の電極を取り出して示した図であ
る。 第４図は希ガス・ハロゲン・エキシマレーデ装置の他の
従来例を示す斜視図である。 第５図は第４図の装置のレーザ管の断面図である。 第６図は本発明による希ガス・ハロゲン・エキシマレー
デ装置で使用する主放電電極の実施例の長手方向断面図
である。 第７図は同短手方向断面図である。 第８図は前記主放電電極の変形例を示す長手方向断面図
である。 第９図は先に説明した従来装置と本発明による装置の寿
命試験の結果をまとめて示したグラフである。 １・・・アクリル樹脂製の円’ｉ？ｉ　（外管）２ａ、
２））・・・アクリル扱 ３ａ、３ｂ・・・アクリル円筒 ４ａ、４ｂ４・・・ふっ化マグネシウムの窓板５ａ、５
ｂ・・・主放電電極（アルミニウム）６ａ〜６β・・・
フィートスルー ７・・・予備放電電極 ８ａ〜８Ｃ・・・フィー１′スルー １０・・・アルミナ・セラミックス円筒（外′ｒ！［＞
１２ａ、１２ｂ・・・コバール合金円筒１３・・・コバ
ール合金製のキャップ １４・・・主放電電極 １４ａ・・・コバール合金部 １４ｂ・・・アルミニウム被覆部 ２０ａ、２０ｂ・・・ステンレス鋼板 ３０ａ、３０ｂ・・・ステンレスｕ４　円ｆｕｉ５０ａ
、５０ｂ・・・主放電電極（コバール合金）特許出願人
　　　　浜松ホトニクス株式会社代理人　　弁理士　　
　井　ノ　ロ　　　シ１驚　デ　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）耐熱性の鶴壁内に管軸に沿って配置される放電電
   極を複数本のフィー１ごスルーにより前記レーザ管壁に
   固定する形式の希ガス・ハに１ゲン−・エキシマレーザ
   装置において、前記放電電極の基本形状を前記耐熱性の
   管壁材料と線膨張係数がほぼ同じである金属により形成
   しその表面にハｌ−１ゲンガスに対して耐食性の大きい
   金属層を形成して構成したことを特徴とする希ガス・ハ
   １」ケン・エキシマレーザ装置。 （２）前記ハロゲンガスは、フッ素、塩素、臭素の１ま
   たは２以上の組合せによるガスである特許請求の範囲第
   １項記載の希ガス・ハロゲン・エキシマレーザ装置。 １３）　　前記ハロゲンガスに対して耐食性の大きい金
   属層ハ、アルミニウム、ニッケル、コバルト、ステンレ
   ス鋼のいずれか１つである特許請求の範囲第１項記載の
   希ガス・ハロゲン・エキシマレージ５装置。 （４）　　前記耐熱性管壁材料はアルミナ・セラミクス
   であり、前記レーザ管管壁材料と線膨張係数がほぼ同じ
   である金属はコバールである特許請求の範囲第１項記載
   の希ガス・ハロゲン・エキシマレーザ装置。 （５）　　前記耐熱性管壁材料はアルミナ・セラミクス
   であり、前記レーザ管管壁材料と線膨張係数がほぼ同じ
   である金属はコバールであり、前記希ガノ、は、クリプ
   トンおよびヘリウムの混合ガスであり、前記ハロゲンガ
   スはフ・フ素ガスであり、前記ハ１．！ゲンガスに対し
   て耐食性の大きい金属層はアルベニラム層である特許請
   求の範囲第１項記４：１ミの計カス・ハロゲン・エキシ
   マレーザ装置。 （６）前記放電電極の放電面に対面する向辺り１に少な
   くとも前記ハロゲンガスに対して耐食性の大きい金属層
   で覆われていない部分が設けられていも特許請求の範囲
   第１項記載の希ガス・ハ１１ケン・エキシマレーザ装置
   。