放電励起式パルス発振ガスレーザ装置
【課題】必要ガス流速の増大及びファンへの投入電力の増大を抑え、４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作と長時間使用を可能にした放電励起式パルス発振ガスレーザ装置を提供する。
【解決手段】細長いアノードとカソードの放電面形状が、電極長手方向に直交する断面において凸面の曲線形状であり、接地電位の電極の幅Ｗｅと放電電極間の最小間隔ｇがｇ／Ｗｅ＞３の関係を有し、放電電極間へ４ＫＨｚ以上のパルス繰り返し数で、５０ｍＪ／ｃｍ3以上の密度の電力を供給する電源を備えており、放電面の凸面の曲線形状が、楕円、双曲線、又は、ｘN／（Ｗｅ／２）N＋ｙN／ｈN＝１（ｈは電極曲線部高さ、ｘは電極の幅方向の位置座標、ｙは電極の凸面方向の座標、Ｎは３以上の整数）で表現される高次関数の何れかであり、電極幅内において、ΔＥ＝電界強度の差、Ｅave＝電界強度平均値とし、その割合ΔＥ／Ｅaveが３５％以下である。
【解決手段】細長いアノードとカソードの放電面形状が、電極長手方向に直交する断面において凸面の曲線形状であり、接地電位の電極の幅Ｗｅと放電電極間の最小間隔ｇがｇ／Ｗｅ＞３の関係を有し、放電電極間へ４ＫＨｚ以上のパルス繰り返し数で、５０ｍＪ／ｃｍ3以上の密度の電力を供給する電源を備えており、放電面の凸面の曲線形状が、楕円、双曲線、又は、ｘN／（Ｗｅ／２）N＋ｙN／ｈN＝１（ｈは電極曲線部高さ、ｘは電極の幅方向の位置座標、ｙは電極の凸面方向の座標、Ｎは３以上の整数）で表現される高次関数の何れかであり、電極幅内において、ΔＥ＝電界強度の差、Ｅave＝電界強度平均値とし、その割合ΔＥ／Ｅaveが３５％以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電励起式パルス発振ガスレーザ装置に関し、特に、放電領域の幅を狭くして必要ガス流速の増大及びファンへの投入電力の増大を抑え、４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作と長時間使用を可能にした露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザ等の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザにおいては、露光機のスループットを向上させるため高出力化が要求され続けている。高出力を得るためには、１パルス当たりの出力エネルギを増加させる方法と、出力エネルギは同じで繰り返し周波数を増加させる方法がある。通常、光学部品のダメージを軽減させる観点から、後者の高繰り返し化が要求される。
【０００３】
露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザにおいて繰り返し周波数を上げる際において問題となるのは、主放電電極間でのレーザガスの循環流速である。循環流速が不足している場合、前パルスで発生した放電生成物等が次パルスに影響を与えて放電が不安定になる。これにより出力のばらつきが大きくなり、最悪の場合発振が停止する。例えば、２ｋＨｚ動作から４ｋＨｚ動作にするためには、２倍のガス循環速度が必要になる。２倍のガス流速を得るためには、通常のファン構造では８倍の電力が必要になる。
【０００４】
安定した放電に必要なガス循環流速ｖは、流れに対して平行な方向の放電領域の幅ｗに比例する。この幅が小さいと同じガス流速でも動作できる発振周波数ｆは高くなる。この関係は次のクリアランスレシオＣＲの式で説明される。ＣＲは一般的に３〜６の定数となる。
【０００５】
ＣＲ＝ｖ／（ｆ×ｗ） ・・・（１）
したがって、後記する本発明は、この放電領域の幅を狭くすることにより、必要ガス流速の増大及びファンへの投入電力の増大を抑え、４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作を可能にすることを目的としている。
【０００６】
また、高出力化と同時に、レーザに要求されているスペクトル線幅の超狭帯域化に対して、放電幅を狭くすることは、スリットでケラレる光量が減ってレーザ光の利用効率を高める点からもメリットがある。
【０００７】
ところで、高繰り返し、高出力の半導体露光用の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置としては、レーザ発振器１台のみからなるレーザ装置以外に、発振段レーザとこの発振段レーザから放出されるレーザ光を増幅する増幅段とからなる２ステージレーザ装置が知られている。２ステージレーザ装置には、ＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier ）とＭＯＰＯ（Master Oscillator Power Oscillator）の２つの方式が知られている。前者は、増幅段に共振器を用いない方式、後者は増幅段に共振器を用いる方式である。２ステージレーザ装置においても、発振段、増幅段何れでも同期してレーザガスの放電励起を行っており、高繰り返し動作を可能にするためには、発振段、増幅段何れでも放電領域の幅を狭くすることにより、必要ガス流速の増大及びファンへの投入電力の増大を抑える必要がある。したがって、後記する本発明では、２ステージレーザ装置の発振段と増幅段とも対象にしている。以下、レーザ発振器１台のみからなるレーザ装置と、２ステージレーザ装置の概略の構成を説明しておく。
【０００８】
図１は、レーザ発振器１台のみからなる露光用ガスレーザ装置の構成例を示す図であり、両端に窓部が設けられたレーザチャンバ１０１内には所定の組成比のレーザガスが満たされている。このレーザガスを励起するための一対の主放電電極１０２、１０２がレーザ発振方向と垂直な向きにレーザチャンバ１０１内に対向配置される。そして、高電圧パルス発生装置１０３により高電圧パルスを印加して主放電電極１０２、１０２間で放電を行い、レーザガスを励起させ、レーザ発振の元となる蛍光を発生させる。
【０００９】
高繰り返し発振の際、放電により生じた電離物質等を次の放電前に放電空間から除去するために、レーザチャンバ１０１内に配置されたファン１０４の回転によりレーザガスはレーザチャンバ１０１内を強制循環している。このレーザガス循環により、主放電電極１０２、１０２間のレーザガスは、放電発生後、次の放電が発生する前に新しいガスに置換されるので、次の放電は安定な放電となる。
【００１０】
放電により生じた蛍光は、狭帯域化モジュール１０５に配置された狭帯域化光学系により所定の波長に選択されながら、部分透過出力鏡１０６との間を往復することによりレーザ発振し、レーザ光として出力鏡１０６から取り出される。なお、狭帯域化光学系は、例えば１個以上のプリズムからなるビーム拡大光学系とリトロー配置の反射型回折格子とから構成される。
【００１１】
図２、図３は、２ステージレーザ装置の構成例を示す図である。図２はＭＯＰＡ方式の場合の構成例、図３は増幅段の共振器に不安定共振器を用いたインジェクションロック方式の場合の増幅段（アンプ）の構成例を示す。図３の発振段レーザ（オシレーター）には、図２と同様のものが用いられる。
【００１２】
図２は装置を上方から見た場合の概要を示す図である。発振段レーザ（オシレーター）１１０から放出されるレーザビームは、レーザシステムのシードレーザビーム（種レーザビーム）としての機能を有する。増幅段（アンプ）１２０、１２０’は、そのシードレーザ光を増幅する機能を有する。すなわち、発振段レーザ１１０のスペクトル特性によりレーザシステムの全体のスペクトル特性が決定される。そして、増幅段１２０、１２０’によってレーザシステムからのレーザ出力（エネルギ又はパワー）が決定される。
【００１３】
発振段レーザ１１０、増幅段１２０、１２０’共に、チャンバ１１１は同じレーザガスが充填されている。
【００１４】
レーザチャンバ１１１は内部に放電部を有している。放電部は紙面と垂直方向に上下に設置されている一対のカソード、アノード電極（主放電電極）１０２からなる。これらの一対の電極１０２に、電源１１７、１１７’から高電圧パルスが印加されることにより、電極１０２間で放電が発生する。なお、図２、図３では、上部電極１０２のみが図示されている。
【００１５】
チャンバ１１１内に設置された一対の電極１０２間の光軸延長上両端に、ＣａＦ2 等のレーザ発振光に対して透過性がある材料によって作られたウィンドー部材１２２がそれぞれ設置されている。ここでは、両ウィンドー部材１２２のチャンバ１１１と反対側の面（外側の面）は互いに平行に、そして、レーザ光に対して反射損失を低減するためにブリュースター角で設置されている。
【００１６】
また、図２、図３では図示されていないシリンドリカルファン（クロスフローファン）がチャンバ１１１内に設置されており、レーザガスをチャンバ１１１内で循環させ、放電部にレーザガスを送り込んでいる。
【００１７】
発振段レーザ１１０は、拡大プリズム１１４とグレーティング（回折格子）１１５によって構成された狭帯域化モジュール１１３を有し、この狭帯域化モジュール１１３内の光学素子とフロントミラー１１６とでレーザ共振器を構成する。
【００１８】
発振段レーザ１１０からのレーザビーム（シードレーザビーム）は、図示を省略した反射ミラー等を含むビーム伝播系により増幅段１２０、１２０’へ導かれ、注入される。図３に示すインジェクションロック方式では、小入力でも増幅できるように、増幅段１２０’には、例えば倍率が３倍以上の不安定型共振器が採用される。
【００１９】
インジェクションロック方式の増幅段１２０’の不安定共振器のリアミラー１１８には穴１２３が開いており、この穴１２３を通過したレーザが図３の矢印のように反射し、また、注入されたシードレーザビームは拡大され、放電部を有効に通過してレーザビームのパワーが増大する。
【００２０】
同期コントローラ１２１は、発振段レーザ１１０、増幅段１２０、１２０’の放電タイミングを制御する。まず、電源１１７から発振段レーザ１１０の一対の電極１０２に高電圧パルスを印加させるＯＮ指令として、発振段レーザ１１０の電源１１７にトリガ信号を送信する。そして、所定時間後、増幅段１２０、１２０’の電源１１７’にＯＮ指令としてのトリガ信号を送信する。
【００２１】
上記所定時間とは、発振段レーザ１１０からシードレーザ光が増幅段１２０、１２０’内に入射するタイミングと増幅段１２０、１２０’が放電するタイミングを同期させるための時間である。
【００２２】
ところで、一般的に、放電励起エキシマレーザ、フッ素分子レーザでは、主放電電極として、例えば、チャン型、エルンスト型が使用されている。こうした例は、特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載されている。しかし、このような電極では電極間に均一な電界が得られ放電が安定する一方、長時間使用していると電極表面の磨耗により、放電幅が広くなる問題点がある。露光用レーザにおいては、放電幅の広がりは、高繰り返し動作に必要なガス流速の増加や、スペクトル品位の劣化、発振効率の低下につながる。
【００２３】
そこで、電極が磨耗しても放電が広がらないような放電幅と電極幅を略一致させた電極形状が提案されている（特許文献４等）。この電極では不平等電界により放電を発生させており、上記の電極に比較して放電の安定性は少し劣るものの、放電幅は電極が磨耗しても変化し難い。しかし、この電極形状においても、電極幅をさらに狭くしていくと、放電幅が狭くなり難くなる問題が発生した。これは、電極幅方向の端部の電界分布により、放電幅が広がる影響が発生したためである。
【００２４】
また、電極幅を狭くしていくと、電極表面の電界分布の影響が強くなるため、程度は小さいながら長時間使用により、放電幅が変化していく傾向が示された。放電幅が広がる要因は、電極表面の劣化（凹凸の変形) 、表面形状の変化（電界分布の変化) 、及び、エネルギ一定制御の場合は、放電入力の増加等である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２５】
【特許文献１】実開昭６１−１７４７６４号公報
【特許文献２】特開昭６３−２２７０６９号公報
【特許文献３】特開平４−７７５号公報
【特許文献４】特開平４−１０１４７５号公報
【特許文献５】特開２００１−３３２７８６号公報
【特許文献６】特開２００３−１５２２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザ等の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置において、放電領域の幅を狭くし、かつ、放電電極が経時的に劣化しても放電幅が変化しないようにすることにより、必要ガス流速の増大及びファンへの投入電力の増大を抑え、４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作と長時間使用を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記目的を達成する本発明の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置は、少なくとも、レーザガスを封入するレーザチャンバと、そのレーザチャンバ内部に対向して平行に設置された少なくとも一対の細長いアノードとカソードを有する放電電極とを備え、
前記アノード及び前記カソードの放電面形状が、電極長手方向に直交する断面において凸面の曲線形状であり、
接地電位の電極の幅Ｗｅと放電電極間の最小間隔ｇがｇ／Ｗｅ＞３の関係を有し、
前記放電電極間へ４ＫＨｚ以上のパルス繰り返し数で、５０ｍＪ／ｃｍ3 以上の密度の電力を供給する電源を備え、
前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が、楕円、双曲線、又は、次の式で表現される高次関数（ただし、ｈは電極曲線部高さ、ｘは電極の幅方向の位置座標、ｙは電極の凸面方向の座標、Ｎは３以上の整数）の何れかであり、
ｘN ／（Ｗｅ／２）N ＋ｙN ／ｈN ＝１ ・・・（Ａ）
電極幅内において、ΔＥ＝電界強度の差、Ｅave ＝電界強度平均値とし、その割合ΔＥ／Ｅave が３５％以下であることを特徴とするものである。
【００２８】
その場合に、前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が楕円であり、
０．１１≦ｈ／Ｗｅ≦０．２７ ・・・（４）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３０％以下であるものとすることができる。
【００２９】
あるいは、前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が双曲線であり、
０．１２≦ｈ／Ｗｅ≦０．２２ ・・・（５）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３０％以下であるものとすることができる。
【００３０】
あるいは、前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状がＮ＝３の高次関数であり、
０．１６≦ｈ／Ｗｅ≦０．４２ ・・・（６）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３５％以下であるものとすることができる。
【００３１】
あるいは、前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状がＮ≧４の高次関数であり、
０．２≦ｈ／Ｗｅ≦０．６８ ・・・（７）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３５％以下であるものとすることができる。
【００３２】
また、以上において、前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記コーティング層中に空孔が配置されているものとすることが望ましい。
【００３３】
また、前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の表面近傍に空孔が配置されていることものとすることが望ましい。
【００３４】
また、前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の金属としてフッ化したときに前記母材から剥離しやすい金属が混入されているものとすることが望ましい。
【００３５】
また、前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の側面に絶縁物若しくは金属導体を添加した絶縁物のコートが設けられているものとすることが望ましい。
【００３６】
また、前記アノードと前記カソードの間に形成される放電空間の側方に、前記放電電極と長手方向に略平行に電界制御電極を配置することが望ましい。
【００３７】
その場合、前記電界制御電極に印加する電界制御電圧を、レーザ光の発振条件又は履歴に応じて変化させるようにすることができる。
【００３８】
また、前記放電電極の放電方向に略平行な磁力線を持つ磁界を前記放電電極間の放電空間に発生する永久磁石を有することが望ましい。
【００３９】
また、前記放電電極の放電方向に略平行な磁力線を持つ磁界を前記放電電極間の放電空間に発生する電磁石を有することが望ましい。
【００４０】
その場合、前記電磁石に流す電流を、レーザ光の発振条件又は履歴に応じて変化させるようにすることができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明においては、露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザ等の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置において、放電領域の幅を狭くし、かつ、放電電極が経時的に劣化しても放電幅が変化しないようにすることができ、必要ガス流速の増大及びファンへの投入電力の増大を抑えて、４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作と長時間使用を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明が適用可能なレーザ発振器１台のみからなる露光用ガスレーザ装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明が適用可能なＭＯＰＡ方式の２ステージレーザ装置の構成例を示す図である。
【図３】本発明が適用可能な増幅段の共振器に不安定共振器を用いたインジェクションロック方式の２ステージレーザ装置の増幅段レーザの構成例を示す図である。
【図４】本発明における電極幅と放電幅を狭める考え方を模式的に示す図である。
【図５】主放電電極間に電位をかけたときの電位分布（等電位面）の一例を示す図である。
【図６】電極の幅Ｗｅに対し電極の先端部に高さｈで表される曲線部を設けた電極表面形状を示す図である。
【図７】電極表面に凸部で示される曲線部を設け、横軸に電極幅、縦軸に電界強度分布をとった従来の具体例を示す図である。
【図８】電極幅Ｗｅ、曲線部高さｈ、放電幅Ｗｄを示す図である。
【図９】電極部周辺構造とその作用効果を説明するための図である。
【図１０】従来の繰り返し周波数４ｋＨｚの装置における電極表面形状及び電極表面電界強度分布を示す図である。
【図１１】電極幅を狭くし、電極曲線部高さが楕円数式で示される形状とする場合の電極表面上の電界強度及び電極表面の形状をとったグラフである。
【図１２】図１１の場合のｈ／Ｗｅに対する電界強度割合、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフである。
【図１３】電極幅を狭くし、電極曲線部高さが双曲線数式で示される形状とする場合の電極表面上の電界強度及び電極表面の形状をとったグラフである。
【図１４】図１３の場合のｈ／Ｗｅに対する電界強度割合、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフである。
【図１５】電極幅を狭くし、電極曲線部高さが高次（３次）関数数式で示される形状とする場合の電極表面上の電界強度及び電極表面の形状をとったグラフである。
【図１６】図１５の場合のｈ／Ｗｅに対する電界強度割合、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフである。
【図１７】電極幅を狭くし、電極曲線部高さが高次（４次）関数数式で示される形状とする場合の電極表面上の電界強度及び電極表面の形状をとったグラフである。
【図１８】図１７の場合のｈ／Ｗｅに対する電界強度割合、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフである。
【図１９】電極幅を狭くし、電極曲線部高さが高次（５次）関数数式で示される形状とする場合の電極表面上の電界強度及び電極表面の形状をとったグラフである。
【図２０】図１９の場合のｈ／Ｗｅに対する電界強度割合、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフである。
【図２１】電極の電極幅方向の端部に角丸めを付けた場合の電極の断面図である。
【図２２】電極幅を狭くし、電極曲線部高さが角丸めで示される形状とする場合の電極表面上の電界強度及び電極表面の形状をとったグラフである。
【図２３】図２２の場合のｈ／Ｗｅに対する電界強度割合、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフである。
【図２４】本発明の具体的な一例の主放電電極の電極表面における電界強度分布と電極形状を示す図である。
【図２５】本発明において陽極と陰極の表面形状が異なる場合の電極表面における電界強度分布と電極形状を示す図である。
【図２６】長寿命電極において電極の劣化が進むにつれて電極が膨張する様子を示す図である。
【図２７】本発明に基づき長寿命電極構造の放電面部分に緩衝地帯としてセラミックス層中に空孔を配置する構成を示す断面図である。
【図２８】本発明に基づき長寿命電極構造の母材部分の上部に緩衝地帯として空孔を配置する構成を示す断面図である。
【図２９】本発明に基づき長寿命電極の側面に放電抑制部材として絶縁物のコートを配置する構成を示す断面図である。
【図３０】放電の広がりを電界制御する実施例に係るエキシマレーザ装置の平面図である。
【図３１】図３０のＡ−Ａ視断面図である。
【図３２】電界制御電極に電圧を印加することにより平等電界に近づけることができる様子を示す図である。
【図３３】本発明の幅の狭い主放電電極を使用する場合に電界制御が有効であることを示す図である。
【図３４】電界制御電極を網状とした例を示す図である。
【図３５】電界制御電極を水滴状とした例を示す図である。
【図３６】電界制御電極を棒状の導電体の周囲を誘電体チューブで覆った形状とした例を示す図である。
【図３７】電界制御電極に印加する電界制御電圧を制御するための回路構成を示す図である。
【図３８】主放電を行った時間又はパルス放電数に応じて電界制御電極に印加する電界制御電圧を制御する例の概略のフローチャートである。
【図３９】発振したビームプロファイルの変動に基づいて電界制御電圧を制御する例の概略のフローチャートである。
【図４０】アノード近傍に電界制御電極を配置する例を示す図である。
【図４１】放電の広がりを磁界制御する実施例に係わる放電励起レーザ装置の電極部の拡大概略図である。
【図４２】一様磁界中の電子及びイオンのら旋運動を示す図であり、（ａ）は側面図を、（ｂ）は平面図である。
【図４３】電気力線が外側に凸状に変化した場合にサイクロトロン運動のらせんの半径が運動方向と電界方向との関係により増減し、Ｅ×Ｂ方向にドリフトする様子を説明するために図である。
【図４４】磁界制御の別の実施例の放電励起レーザ装置の電極部の拡大概略図である。
【図４５】磁界制御のさらに別の実施例の放電励起レーザ装置の電極部の拡大概略図である。
【図４６】発振したビームプロファイル等の変動に基づいて電磁石に流す電流を制御する例の概略のフローチャートである。
【図４７】発振回数に応じてフィードフォアードで電磁石に流す電流を制御する例の概略のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下に、本発明の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置の原理を説明する。
【００４４】
図１〜図３で例示したような半導体露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザにおいて、主放電電極１０２、１０２間の間隔をｇ、その電極１０２の幅をＷｅとするとき、
ｇ／Ｗｅ＞３ ・・・（２）
電力入力密度＞５０ｍＪ／ｃｍ3 ・・・（３）
の条件のときに放電幅が狭くなり難いことが実験から分かり、そのとき、放電は電極端部（電極幅方向の端部）からも強く発生していることが分かった。
【００４５】
そこで、本発明では、図４に模式的に考え方を示すように、電極幅と放電幅を略一致させた放電電極において、電極１０２の幅をｇ／Ｗｅ＞３の条件下で、図４（ａ）から（ｂ）へ示すように、Ｗｅ１からＷｅ２へ狭くするときに、放電幅もＷｄ１からＷｄ２へ狭くなるが、その際に電極表面電界分布を均一化すると、放電幅はＷｄ３へとより狭くなり、クリアランスレシオの式（１）で与えられる必要流速低減の効果が現れ、４ｋＨｚレーザと同じガス流速において、６ｋＨｚの高繰り返し動作が可能なった。なお、式（１）の関係があるので、高繰り返し動作で出力を増加させたい場合には、ｇを大きくするか、あるいは、電極長Ｌを伸ばすことが必要になる。
【００４６】
また、長時間使用に対しては、電極表面の劣化低減、表面形状の変化抑止のため、電極表面にコーティングを施す、電極材料を選択する（耐磨耗性、耐フッ素反応性、フッ化銅層成長の抑止）ことも実施した。
【００４７】
さらには、長時間使用時の放電広がりに対して、外部電界、外部磁界を印加して抑制することも実施した。
【００４８】
以下に、これらの手段を順に説明する。
【００４９】
まず、放電電極の幅を狭くしたときに電極表面電界分布が均一となるよう電極形状を求め、それによって放電を全領域にわたって均一化させ、その結果電極が均等に消耗し、放電幅が変化しないようにする点について説明する。
【００５０】
主放電電極１０２では、不平等電界により放電を発生させており、電界分布が不均一な領域が存在する。放電領域の中、光軸（電極長手方向）と垂直な断面において、電極部近傍領域のみ電界分布が不均一であり、その他の領域においては電界分布が均一となっている。そのため、電極部近傍部の電界のみ考慮すればよい。
【００５１】
図５に、電極１０２間に電位をかけたときの電位分布（等電位面）を示す。電極部近傍において、等電位面の間隔・勾配が不均一になるので、電極表面における電界強度分布を検討した。電界強度分布とは、図５で示される等電位面と直交する電気力線の疎密状態を表し、電気力線が密な箇所は電界が強く、疎な箇所は電界が弱い。
【００５２】
なお、光軸に対して平行な方向においては、電界強度分布が均一であるため、光軸に対して垂直な断面の方向について検討する。
【００５３】
電極部近傍における電界強度分布は、電極表面形状と電極部周辺構造部材形状に依存している。電極表面形状を矩形にした場合、電極端部の電界分布の影響が強くなるため、電極表面形状に曲線部を有することが望ましい。一例として、図６に示すように、電極１０２の幅Ｗｅに対し、電極１０２の先端部に高さｈで表される曲線部を設ける。
【００５４】
電極表面に凸部で示される曲線部を設け、横軸に電極幅、縦軸に電界強度（ＭａｇＥ）分布をとった具体例を図７（ａ）〜（ｃ）に示す。なお、図７（ａ）〜（ｃ）には、電極１０２の先端部の断面形状も合わせて示してある。
【００５５】
電極表面で電界強度が強い場所が放電開始点となる。図７（ａ）のように、電極曲線部高さｈが小さいと、電極端部における電界強度が強くなる。放電が電極端部に集中し放電幅が広がる。また、寿命の点からも、電極端部がより早く消耗するため、放電幅が変化してしまう。図７（ｂ）のように、電極曲線部高さｈが大きいと、電極中央部における電界強度が強くなる。放電が電極中央部に集中し、出力が低下する。また、寿命の点からも電極中央部がより早く消耗するため、放電幅が変化してしまう。そのため、図７（ｃ）のように、電界強度分布が均一となるよう電極形状を設定することが望ましい。このような形状においては、放電が全領域にわたって均一化するため、電極が均等に消耗し、放電幅が変化しない。
【００５６】
そこで、図７（ｃ）のように、電界強度分布が均一となるよう電極形状を設定する。そのための設計として、電極構造部材を決定するに当たり、図８に示すように、電極幅をＷｅ及び曲線部高さをｈとする。また、このときの放電幅をＷｄとする。
【００５７】
従来の４ｋＨｚレーザの電極形状は、電極幅Ｗｅ＝３．０ｍｍ、電極表面曲線高さｈ＝０．３ｍｍである。すなわち、
電極幅Ｗｅ 曲線部高さｈ ｈ／Ｗｅ
３．０ｍｍ ０．３ｍｍ １／１０
電極幅Ｗｅは、寿命の点からも経時変化しない。式（１）のクリアランスレシオＣＲ＝ｖ／（ｆ×ｗ）より、安定な放電に必要な放電間におけるガス循環流速ｖ一定の下で、繰り返し周波数ｆを４ｋＨｚから６ｋＨｚに可能にするため、Ｗｅを狭くすることが好まし
い。
【００５８】
電極間ギャップｇ・電極長Ｌは必要な出力エネルギに応じて決定する。ここでは、出力１５ｍＪのＡｒＦエキシマレーザ装置を想定して、ｇ＝１６ｍｍ、Ｌ＝６００ｍｍとする。
【００５９】
電極部周辺構造に関しては、図９（ａ）に示すように、カソード１０２2 の根元に絶縁体１３２を設け、その絶縁体１３２にて電極１０２2 の側面部を覆う。また、金属１３１によりアノード１０２1 の側面部を覆う。陰極部１０２2 は高電位側であるため、絶縁体１３２、陽極部１０２1 は接地側であるため金属１３１を用いる。このように電極１０２1 、１０２2 の側面部を金属１３１、絶縁体１３２で覆うことにより、電極端部における電界強度を緩和し、図９（ｂ）のようにそれぞれを覆わない場合に比較して、図９（ｃ）に示すように、放電幅が電極幅より広がる影響を抑制する効果が期待される。
【００６０】
また、同時に、繰り返し周波数４ｋＨｚ以上の動作のため、音響波やガス循環の観点から、電極間に滞在する音響波を電極周辺部に逃がすため、図９（ａ）に示すように、電極の根元に設けた絶縁体１３２と金属１３１を放電領域から外側に向かって傾斜角度のついた形状、また、放電に必要なガス循環を維持するため、ガス流速分布が滑らかになる形状とする。
【００６１】
以上のような電極部周辺構造を前提にして、以下の議論は信頼性の高い有限要素法を用いた解析に基づくものである。
【００６２】
電極１０２1 、１０２2 間に、約２０ｋＶの電位がかかるとして、電極表面における電界強度分布を求めた。
【００６３】
従来の繰り返し周波数４ｋＨｚの装置における電極表面形状及び電極表面電界強度分布を図１０に示す。電極幅内において、ΔＥ＝電界強度の差、Ｅave ＝電界強度平均値とし、その割合ΔＥ／Ｅave を求めると、ΔＥ／Ｅave ＝３６．９となる。なお、電極曲線部高さは楕円数式で示される形状である。なお、図１０で縦軸の“1.E+06" 等は“ 1×10+6" 等を意味する。以下、同じ。
【００６４】
繰り返し周波数４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作を可能にするために、以下に、電界強度分布が均一となるよう、電極曲線部の断面形状と、電極幅Ｗｅと電極曲線部高さｈの関係を定め、電極部構造を最適なものにする。
【００６５】
（１）電極幅Ｗｅを狭くする。電極曲線部高さは楕円数式で示される形状を用いる。
【００６６】
Ｗｅ＝２ｍｍ、
楕円の関数：ｘ2 ／（Ｗｅ／２）2 ＋ｙ2 ／ｈ2 ＝１、すなわち、
ｘ2 ＋ｙ2 ／ｈ2 ＝１
とする。ｈを変更し、横軸に電極中心からの距離ｘ、縦軸に電極表面上の電界強度Ｅ及び電極表面の形状をとったグラフを図１１に示す。また、その場合の横軸にｈ／Ｗｅ、縦軸に電界強度割合ΔＥ／Ｅave 、レーザ出力エネルギ（最大レーザ出力エネルギに対する比）、放電幅をとったグラフを図１２に示す。
【００６７】
図１２から、ΔＥ／Ｅave はｈ／Ｗｅに対して最小値を持つ。ΔＥ／Ｅave の最小値近辺で使用するために、ｈ／Ｗｅの適正範囲を定める。ｈ／Ｗｅの適正範囲は、レーザ出力エネルギ、放電幅から決定する。
【００６８】
レーザ出力エネルギの有効範囲は、最大レーザ出力エネルギの９０％より大きい範囲とする。９０％以下であると、十分なレーザ出力が得られない。
【００６９】
放電幅Ｗｄの有効範囲は、電極幅Ｗｅプラスその１５％、すなわち、Ｗｅ＋０．３ｍｍより小さい範囲とする。Ｗｅ＋０．３ｍｍ以上であると、必要なクリアランスレシオＣＲがとれなくなる。
【００７０】
以上の基準を満たす範囲ｈ／Ｗｅの適正範囲は、図１２より、
０．１１≦ｈ／Ｗｅ≦０．２７ ・・・（４）
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図１２より、従来の４ｋＨｚレーザ装置における電極表面の電界強度分布（ΔＥ／Ｅave ＝３６．９）と比較して、ΔＥ／Ｅave ＜３０％と改善している。
【００７１】
また、これより、Ｗｄ＞Ｗｅとなっている。
【００７２】
（２）電極幅Ｗｅを狭くする。電極曲線部高さは双曲線数式で示される形状を用いる。
【００７３】
Ｗｅ＝２ｍｍ、
双曲線の関数：ｘ2 ／（Ｗｅ／２）2 −ｙ2 ／ｈ2 ＝−１、すなわち、
ｘ2 −ｙ2 ／ｈ2 ＝−１
とする。ｈを変更し、横軸に電極中心からの距離ｘ、縦軸に電極表面上の電界強度Ｅ及び電極表面の形状をとったグラフを図１３に示す。また、その場合の横軸にｈ／Ｗｅ、縦軸に電界強度割合ΔＥ／Ｅave 、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフを図１４に示す。
【００７４】
図１４から、ΔＥ／Ｅave はｈ／Ｗｅに対して最小値を持つ。ΔＥ／Ｅave の最小値近辺で使用するために、ｈ／Ｗｅの適正範囲を定める。ｈ／Ｗｅの適正範囲は、レーザ出力エネルギ、放電幅から決定する。
【００７５】
（１）の場合と同様に、レーザ出力エネルギの有効範囲を、最大レーザ出力エネルギの９０％より大きい範囲とし、放電幅Ｗｄの有効範囲を、Ｗｅ＋０．３ｍｍより小さい範囲とする。
【００７６】
以上の基準を満たす範囲ｈ／Ｗｅの適正範囲は、図１４より、
０．１２≦ｈ／Ｗｅ≦０．２２ ・・・（５）
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図１４より、従来の４ｋＨｚレーザ装置における電極表面の電界強度分布（ΔＥ／Ｅave ＝３６．９）と比較して、ΔＥ／Ｅave ＜３０％と改善している。
【００７７】
また、これより、Ｗｄ＞Ｗｅとなっている。
【００７８】
（３）電極幅Ｗｅを狭くする。電極曲線部高さは高次（３次）関数数式で示される形状を用いる。
【００７９】
Ｗｅ＝２ｍｍ、
高次（３次）の関数：ｘ3 ／（Ｗｅ／２）3 ＋ｙ3 ／ｈ3 ＝１、すなわち、
ｘ3 ＋ｙ3 ／ｈ3 ＝１
とする。ｈを変更し、横軸に電極中心からの距離ｘ、縦軸に電極表面上の電界強度Ｅ及び電極表面の形状をとったグラフを図１５に示す。また、その場合の横軸にｈ／Ｗｅ、縦軸
に電界強度割合ΔＥ／Ｅave 、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフを図１６に示す。
【００８０】
図１６から、ΔＥ／Ｅave はｈ／Ｗｅに対して最小値を持つ。ΔＥ／Ｅave の最小値近辺で使用するために、ｈ／Ｗｅの適正範囲を定める。ｈ／Ｗｅの適正範囲は、レーザ出力エネルギ、放電幅から決定する。
【００８１】
（１）の場合と同様に、レーザ出力エネルギの有効範囲を、最大レーザ出力エネルギの９０％より大きい範囲とし、放電幅Ｗｄの有効範囲を、Ｗｅ＋０．３ｍｍより小さい範囲とする。
【００８２】
以上の基準を満たす範囲ｈ／Ｗｅの適正範囲は、図１６より、
０．１６≦ｈ／Ｗｅ≦０．４２ ・・・（６）
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図１６より、従来の４ｋＨｚレーザ装置における電極表面の電界強度分布（ΔＥ／Ｅave ＝３６．９）と比較して、ΔＥ／Ｅave ＜３５％と改善している。
【００８３】
また、これより、Ｗｄ＞Ｗｅとなっている。
【００８４】
（４）電極幅Ｗｅを狭くする。電極曲線部高さは高次（４次）関数数式で示される形状を用いる。
【００８５】
Ｗｅ＝２ｍｍ、
高次（４次）の関数：ｘ4 ／（Ｗｅ／２）4 ＋ｙ4 ／ｈ4 ＝１、すなわち、
ｘ4 ＋ｙ4 ／ｈ4 ＝１
とする。ｈを変更し、横軸に電極中心からの距離ｘ、縦軸に電極表面上の電界強度Ｅ及び電極表面の形状をとったグラフを図１７に示す。また、その場合の横軸にｈ／Ｗｅ、縦軸に電界強度割合ΔＥ／Ｅave 、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフを図１８に示す。
【００８６】
図１８から、ΔＥ／Ｅave はｈ／Ｗｅに対して最小値を持つ。ΔＥ／Ｅave の最小値近辺で使用するために、ｈ／Ｗｅの適正範囲を定める。ｈ／Ｗｅの適正範囲は、レーザ出力エネルギ、放電幅から決定する。
【００８７】
（１）の場合と同様に、レーザ出力エネルギの有効範囲を、最大レーザ出力エネルギの９０％より大きい範囲とし、放電幅Ｗｄの有効範囲を、Ｗｅ＋０．３ｍｍより小さい範囲とする。
【００８８】
以上の基準を満たす範囲ｈ／Ｗｅの適正範囲は、図１８より、
０．２≦ｈ／Ｗｅ≦０．６８ ・・・（７）
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図１８より、従来の４ｋＨｚレーザ装置における電極表面の電界強度分布（ΔＥ／Ｅave ＝３６．９）と比較して、ΔＥ／Ｅave ＜３５％と改善している。
【００８９】
また、これより、Ｗｄ＞Ｗｅとなっている。
【００９０】
（５）電極幅Ｗｅを狭くする。電極曲線部高さは高次（５次）関数数式で示される形状を用いる。
【００９１】
Ｗｅ＝２ｍｍ、
高次（５次）の関数：ｘ5 ／（Ｗｅ／２）5 ＋ｙ5 ／ｈ5 ＝１、すなわち、
ｘ5 ＋ｙ5 ／ｈ5 ＝１
とする。ｈを変更し、横軸に電極中心からの距離ｘ、縦軸に電極表面上の電界強度Ｅ及び電極表面の形状をとったグラフを図１９に示す。また、その場合の横軸にｈ／Ｗｅ、縦軸に電界強度割合ΔＥ／Ｅave 、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフを図２０に示す。
【００９２】
図２０から、ΔＥ／Ｅave はｈ／Ｗｅに対して最小値を持つ。ΔＥ／Ｅave の最小値近辺で使用するために、ｈ／Ｗｅの適正範囲を定める。ｈ／Ｗｅの適正範囲は、レーザ出力エネルギ、放電幅から決定する。
【００９３】
（１）の場合と同様に、レーザ出力エネルギの有効範囲を、最大レーザ出力エネルギの９０％より大きい範囲とし、放電幅Ｗｄの有効範囲を、Ｗｅ＋０．３ｍｍより小さい範囲とする。
【００９４】
以上の基準を満たす範囲ｈ／Ｗｅの適正範囲は、図２０より、
０．２≦ｈ／Ｗｅ≦０．７２ ・・・（８）
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図２０より、従来の４ｋＨｚレーザ装置における電極表面の電界強度分布（ΔＥ／Ｅave ＝３６．９）と比較して、ΔＥ／Ｅave ＜３５％と改善している。
【００９５】
また、これより、Ｗｄ＞Ｗｅとなっている。
【００９６】
以上の（４）、（５）より、高次関数として４次、５次の場合を検討した結果、ｈ／Ｗｅの適正範囲や電界強度分布ΔＥ／Ｅave が略同じである。さらに高次の場合でも、略同じ結果を示す。したがって、４次以上の高次関数については、４次、５次の検討のみで十分である。
【００９７】
（６）電極幅Ｗｅを狭くする。電極曲線部高さは角丸めで示される形状を用いる。
【００９８】
Ｗｅ＝２ｍｍ、
図２１に断面図を示すように、電極１０２の電極幅方向の端部に半径ｒで示される角丸めを付ける。この形状で表される電極曲線部高さｈはｒと同一となる。
【００９９】
ｈを変更し、横軸に電極中心からの距離ｘ、縦軸に電極表面上の電界強度Ｅ及び電極表面の形状をとったグラフを図２２に示す。また、その場合の横軸にｈ／Ｗｅ、縦軸に電界強度割合ΔＥ／Ｅave 、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフを図２３に示す。
【０１００】
図２３から、ΔＥ／Ｅave はｈ／Ｗｅに対して最小値を持つ。ΔＥ／Ｅave の最小値近辺で使用するために、ｈ／Ｗｅの適正範囲を定める。ｈ／Ｗｅの適正範囲は、レーザ出力エネルギ、放電幅から決定する。
【０１０１】
（１）の場合と同様に、レーザ出力エネルギの有効範囲を、最大レーザ出力エネルギの９０％より大きい範囲とし、放電幅Ｗｄの有効範囲を、Ｗｅ＋０．３ｍｍより小さい範囲とする。
【０１０２】
図２３より、従来の４ｋＨｚレーザ装置における電極表面の電界強度分布（ΔＥ／Ｅave ＝３６．９）と比較して、ΔＥ／Ｅave が高くなり、ｈ／Ｗｅの適正範囲として有効な範囲が得られない。
【０１０３】
以上の結果から、繰り返し周波数４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作を可能にするための主放電電極１０２1 、１０２2 の断面形状の具体的な一例として次のようなものが得られる。
【０１０４】
電極幅Ｗｅ 曲線部（楕円数式）高さｈ ｈ／Ｗｅ
２．０ｍｍ ０．３ｍｍ ３／２０
とした際の電極表面における電界強度分布を図２４に示す。
【０１０５】
この具体例における電極表面における電界強度最大値は、２．０×１０6 Ｖ／ｍであり、電極幅内における（電界強度の差）／（電界強度平均値）：ΔＥ／Ｅave ＝９．８％であり、レーザ出力エネルギ（最大レーザ出力エネルギに対する比）は１００％、放電幅は２．１８ｍｍである。
【０１０６】
以上の検討では、電極幅Ｗｅを２ｍｍとして検討したが、電極幅Ｗｅが１０％変化する範囲、すなわち、Ｗｅ＝２ｍｍ±０．２ｍｍの範囲で以上の検討結果は適用できることが分かっている。
【０１０７】
以上より、繰り返し周波数４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作を可能で、電界強度分布が均一な、電極幅Ｗｅ、電極曲線部高さｈからなる電極１０２（１０２1 、１０２2 ）が得られた。電極曲線部高さｈは、断面が楕円数式、双曲線数式、高次関数数式で示される形状を用いた。電極表面における電界強度分布から、電界強度の割合ΔＥ／Ｅave は、ｈ／Ｗｅに対して最小値を持つ。ΔＥ／Ｅave 最小値近辺で使用するため、ｈ／Ｗｅの適正範囲を定めた。ｈ／Ｗｅの適正範囲は、レーザ出力エネルギと放電幅Ｗｄから決まる。
【０１０８】
そのレーザ出力エネルギの有効範囲は、最大レーザ出力エネルギの９０％より大きい範囲である。
【０１０９】
放電幅Ｗｄの有効範囲は、電極幅Ｗｅプラスその１５％より小さい範囲である。
【０１１０】
結果として、ｈ／Ｗｅの適正範囲は、電極表面がとる関数毎に異なる。
【０１１１】
（１）電極曲線部高さが楕円数式で示される形状の場合：
ｈ／Ｗｅの適正範囲
０．１１≦ｈ／Ｗｅ≦０．２７ ・・・（４）
電界強度の割合ΔＥ／Ｅave ：３０％以下
である。
【０１１２】
（２）電極曲線部高さが双曲線数式で示される形状の場合：
ｈ／Ｗｅの適正範囲
０．１２≦ｈ／Ｗｅ≦０．２２ ・・・（５）
電界強度の割合ΔＥ／Ｅave ：３０％以下
である。
【０１１３】
（３）電極曲線部高さが３次関数数式で示される形状の場合：
ｈ／Ｗｅの適正範囲
０．１６≦ｈ／Ｗｅ≦０．４２ ・・・（６）
電界強度の割合ΔＥ／Ｅave ：３５％以下
である。
【０１１４】
（４）電極曲線部高さが４次以上の高次関数数式で示される形状の場合：
ｈ／Ｗｅの適正範囲
０．２≦ｈ／Ｗｅ≦０．６８ ・・・（７）
電界強度の割合ΔＥ／Ｅave ：３５％以下
である。
【０１１５】
電極曲線部高さが楕円数式、双曲線数式で表される形状の場合に、ΔＥ／Ｅave ≦３０％となり、高次関数（（３）、（４））と比較して、より適切な形状を示していると言える。
【０１１６】
同時に、図９を参照にして説明したように、電極の側面部を金属や絶縁体で覆い、電極端部における電界強度を緩和し、放電幅が電極幅より広がる影響を抑制するようにすることで、電極表面電界分布を均一化し、クリアランスレシオの式（１）で与えられる必要流速低減の効果が現れ、さらなる高繰り返し動作が可能となる。
【０１１７】
ところで、以上において、電極幅Ｗｅは、陽極（接地側）１０２1 と陰極１０２2 とで共に等しく、Ｗｅ＝２ｍｍ±０．２ｍｍの範囲としたが、接地側電極１０２1 の電極幅Ｗｅに対して陰極側電極１０２2 の電極幅Ｗｅ’は、Ｗｅ（１−０．２５）≦Ｗｅ’≦Ｗｅの範囲で、上記の検討が有効に適用できることが実験結果より分かっている。
【０１１８】
また、以上の検討においては、陽極１０２1 と陰極１０２2 の表面形状が等しい場合であるが、陽極１０２1 と陰極１０２2 の表面形状が異なる場合であっても、それぞれの電極の形状が上記（１）〜（４）の何れかであり、かつ、その場合のｈ／Ｗｅをそれぞれ上記（１）〜（４）で適正範囲とした範囲にある限り、界強度の割合ΔＥ／Ｅave を３５％以下とすることができる。その場合の一例として、
陽極１０２1 の高さが楕円数式で示され、
電極幅Ｗｅ 曲線部（楕円数式）高さｈ ｈ／Ｗｅ
２．０ｍｍ ０．４ｍｍ ４／２０
陰極１０２2 の高さが双曲線数式で示され、
電極幅Ｗｅ 曲線部（楕円数式）高さｈ ｈ／Ｗｅ
２．０ｍｍ ０．４ｍｍ ４／２０
とした際の電極表面における電界強度分布を図２５に示す。この例における電極表面における電界強度最大値は、２．０×１０6 Ｖ／ｍであり、電極幅内における（電界強度の差）／（電界強度平均値）：ΔＥ／Ｅave ＝１１％であり、レーザ出力エネルギ（最大レーザ出力エネルギに対する比）は９８％、放電幅は２．１２ｍｍである。
【０１１９】
図７を参照にして説明したように、放電電極の寿命の点では、電極端部に電界強度の極めて大きな点が存在したり（図７（ａ））、電極中央部に電界強度の極めて大きな点が存在する（図７（ｂ））と、その箇所が放電開始点となるため、電極の消耗度に不均一性を生じる。上記の（１）〜（４）の条件を満たす表面形状の放電電極では、電界分布が均一化しているため電極が均等に消耗し、放電幅が変化しないので、寿命の点からも有利である。
【０１２０】
次に、さらなる長時間動作における、電極表面の劣化低減、表面形状の変化抑止のための、電極表面コーティング、電極材料選択、さらに、長時間使用時の放電広がりに対する外部電界、外部磁界を印加しての抑制等を以下に説明する。
【０１２１】
まず、電極表面コーティング、電極材料選択について説明する。
【０１２２】
以上説明したように、高繰り返し動作における放電幅制御では、電極の形状が重要であ
る。しかしながら、例えばエキシマレーザを長時間動作させることで電極形状は変動して行く。この変動は、電極の損傷により発生する。電極の損傷としては、レーザガス中のフッ素による化学変化（金属のフッ化）や、放電によるスパッタリングがある。フッ素による化学変化では、フッ化の不均一性による電極表面形状の変動を引き起こす。また、放電によるスパッタリングでは、電極材料の離脱により電極高さが減少し、電極近傍の電界分布が変化する。何れにしても、以上説明した主放電電極の形状を実際に適用するためには、初期の電極形状を維持し、放電幅を設計値通り維持することが重要である。
【０１２３】
電極の初期形状を維持して電極寿命を延伸するためには、特許文献５や特許文献６で提案されているような電極構造が非常に有効である。特許文献５に記載のものは、電極の放電部に誘電体、絶縁体をコーティングするものであり、その誘電体、絶縁体に金属微粒子を混合したものでもよい。誘電体、絶縁体としては、例えばフッ化カルシウム、フッ化ストロンチウム等のフッ化物や酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等のセラミックスが用いられる。特許文献６に記載のものは、レーザガスに含まれるフッ素（ハロゲンガス）と反応し難い物質の膜を電極の放電部に形成するものであり、その膜には、電極の金属よりも硬度が高い物質又は融点が高い物質が用いられる。そのフッ素と反応し難い物質としては、絶縁体あるいは絶縁体と導体との混合物が用いられる。
【０１２４】
すなわち、この電極では、母材を金属とし、この母材をレーザガス中のフッ素による化学変化や、放電によるスパッタリングから保護するために、放電面にフッ素耐性の強いアルミナ等のセラミックス等からなるコーティングを配置している。さらに、電気伝導度を維持するために、セラミックス内に金属が適切に配置されている。この長寿命電極を用いることで、電極は２００億回のレーザショット後にも、略初期の電極形状を維持している。また、長寿命電極の消耗重量は、一般的な金属電極と比べて、１／２０にまで低減できる。
【０１２５】
この長寿命電極は、フッ素による化学変化が起きた後も、その影響を最小限に止めるメカニズムに基づいて製作されている。それは、金属フッ化物が金属母材から離脱しないようにしているからである。電極が消耗してしまうのは、以下のようなメカニズムによる。放電中にフッ素に晒された電極表面ではフッ化が進行する。例えばエキシマレーザを発振するための放電では、放電の温度は数万度にも達し、いかにフッ素耐性の高い材料と言えどもフッ化を免れることはできない。そのような高温の放電中では、フッ素は通常の存在形態であるＦ2 ではなく、エネルギ状態の高いラジカル（Ｆ+ 、Ｆ- 、Ｆ* ）として存在し、非常に高いフッ化能力を持つ。さらに、原子半径が比較的小さいフッ素は、電極部材の表面からたやすく母材内に進入し、表面から数百マイクロメートルの母材内部からフッ化を起こす。上記の長寿命電極ではない通常の電極では、この作用によって母材表面が非常に脆くなり、母材との結合が弱まる。この状態で放電のスパッタリングが起きると、フッ化された部分は電極から剥離してしまう。そこで、上記長寿命電極では、この剥離が起きない構造の電極となっている。例えば強固なフッ化膜を形成、そのフッ化膜が母材金属と緊密に結合する構造を構成しているのである。これにより、電極の放電面形状や、電極母材がフッ素や放電から保護されている。
【０１２６】
この長寿命電極をさらに長寿命化するためには、電極放電面形状の変動をさらに抑制することが有効である。様々な実験結果より、電極表面形状の変動は、以下のような仕組みで起こることが分かっている。
【０１２７】
長寿命電極では、上記のような母材の剥離を起こさないような構造を持っている。しかしながら、剥離を起こさない分、金属はフッ化金属として、母材表面に留まる。一般的にフッ化金属の特徴として、単体金属よりも比重が小さい。例えば、銅単体では比重が８．９に対し、フッ化銅では、比重がおおよそ４である。したがって、電極の劣化が進むにつ
れて金属部分がフッ化されることにより、電極表面は２倍に膨張することになる。この結果、上記のような長寿命電極では、母材表面にフッ化金属の層が形成され、その体積は初期の電極に比べて大きくなる。すなわち、電極が膨張することとなる。図２６にこの膨張の様子を示す。電極の母材１０２Ａにアルミナ等のコーティング層１０２Ｃが設けられ、初期には符号１（実線）で示す電極形状となっているが、長時間動作後に母材１０２Ａ表面にフッ化金属の層が形成され、その体積が膨張することにより、符号２の破線で示す形状に膨張する。長寿命電極では損傷は極めて均一に起こるため、２００億回パルス程度のショット数後では、電極の放電面の変動は小さいが、４００億回パルス以上のショット数では、電極放電面形状変動は無視できないものとなる。そこで、さらにレーザを長い間にわたって安定に動作させるためには、電極表面のこのような膨張を抑制する必要がある。
【０１２８】
さらに、電極母材表面でのフッ化物の厚みを薄く維持することができれば、電極の初期状態が長く維持することとなり、レーザの発振効率の低下も抑制できる。そのための手段を以下に述べる。
【０１２９】
（１）長寿命電極構造の放電面部分に緩衝地帯を設ける：
電極の母材金属がフッ化物に化学変化し、膨張しても、膨張部分を吸収する空間を電極表面のコーティング層１０２Ｃ中に配置することで、電極全体の膨張を抑制することができる。このためには、図２７に示すように、長寿命電極の構造部分である例えば金属微粒子を混合したアルミナ等のセラミックス層１０２Ｃ中に空孔３を配置したものを用いる。この空孔３は数〜数１０マイクロメートルの直径のものである。そのようなコーティング層１０２Ｃの製作法としては、次のような手法を用いる。
【０１３０】
電極母材１０２Ａ上にセラミックスの空孔率の高い溶射を行う。空孔率（ポロシティ）は、電極の母材１０２Ａの比重とそのフッ化したときの比重との差を吸収するように設定する。例えば銅を母材１０２Ａとしたときには、空孔率としては、３０〜７０％が適当になる。
【０１３１】
（２）長寿命電極構造の母材部分の上部に緩衝地帯を設ける：
電極の母材金属がフッ化物に化学変化し、膨張しても、膨張部分を吸収する空間を電極母材１０２Ａ表面近傍に設けることで、電極全体の膨張を抑制することができる。このためには、図２８に示すように、電極母材１０２Ａ部分に空孔４のある母材を用いる。この空孔は、数〜数１０マイクロメートルの直径のものである。そのような母材の製作法としては、次のような手法を用いる。
【０１３２】
２−Ａ．母材金属焼結時に、微小なプラスチック球を混入させて焼結する。焼結時の高温により、プラスチック球は飛び去り空孔４のある金属が完成する。
【０１３３】
２−Ｂ．電極母材１０２Ａ上に、母材材料の空孔率の高い溶射を行う。空孔率（ポロシティ）は、母材１０２Ａの比重とフッ化したときの比重との差を吸収するように設定する。例えば銅を母材１０２Ａとしたときには、空孔率としては、３０〜７０％が適当になる。
【０１３４】
２−Ｃ．上記２−Ａ．と２−Ｂ．とを共に行う。
【０１３５】
（３）長寿命電極構造の母材部分に緩衝材を添加する：
長寿命電極の電極母材１０２Ａ部分（図２６）に、フッ化したときに剥離しやすい金属を混入する。これにより、長寿命電極母材１０２Ａがフッ化していった場合、その混入金属が表面のコーティング層１０２Ｃの微細な孔を通して電極から離脱し、その空いた空間に主材料のフッ化物が膨張でき、長寿命電極全体としての膨張を抑制することができる。
長寿命電極母材を２種類以上の金属からなる合金で製作した場合、主母材として銅、混合材料としては、亜鉛、ニッケル等があげられる。フッ化亜鉛、フッ化ニッケルは、フッ化銅に比較して蒸発しやすく、上記の剥離しやすい金属フッ化物に相当する。具体的な合金としては、真鍮、白銅、洋白銅がよい。混合比は、母材の比重とフッ化したときの比重との差を吸収するように設定する。例えば銅を母材としたときには、混合比としては、３０〜７０％が適当になる。
【０１３６】
（４）長寿命電極の側面に放電抑制部材を配置する：
長寿命電極が劣化したときに、放電幅に影響を与える要因は、上記のような電極放電面形状の変動であるが、さらに電極側面である母材１０２Ａ側面の膨張がある。図２６に示したように、電極膨張が進むと、電極側面も膨張してしまう。これは、電極側面にある程度の放電回り込みが発生し、電極側面からフッ化が進行し、電極幅を広げる作用のためである。そこで、図２９に示すように、長寿命電極側面に、絶縁物若しくは金属導体を添加した絶縁物のコート１０２Ｂを配置する。これにより、電界の緩衝体の役目を持たせる。この絶縁物若しくは金属導体を添加した絶縁物は、単に配置するだけでは効果がない。放電は数マイクロメートルの隙間でも進展し、電極表面温度を上昇させるからである。その結果、金属表面がフッ化し、膨張を起こしてしまう。そのため、この絶縁物若しくは金属導体を添加した絶縁物のコート１０２Ｂは電極に密着し、隙間なく配置しなければならない。コート１０２Ｂの最も密着性が高く効果のある製作方法としては溶射法が適している。
【０１３７】
次に、長時間使用時の放電電極間の放電の広がりに対して、外部電界、外部磁界を印加することでその広がりを抑制する構成を説明する。
【０１３８】
まず、電界制御の実施例について説明する。図３０は、本実施例に係るエキシマレーザ装置の平面図、図３１はそのＡ−Ａ視断面図を示している。なお、以下の説明において、図３１における紙面と垂直な方向を長手方向、長手方向に垂直でガス流の流れる図中左右方向を左右方向、長手方向及びガス流方向に垂直で、図中上下方向を上下方向と言う。
【０１３９】
図３０、図３１において、エキシマレーザ装置１００は、例えばフッ素（Ｆ2 ）、クリプトン（Ｋｒ）、及び、ネオン（Ｎｅ）を含むレーザガスが所定の圧力比で密封されたレーザチャンバ１０１を備えている。レーザチャンバ１０１の内部には、上記のような本発明に基づく放電面形状を持ったアノード１０２1 及びカソード１０２2 からなる主放電電極１０２1 、１０２2 が放電空間１６を挟んで上下方向に対向して配設されている。レーザガスは、主放電電極１０２1 、１０２2 間の主放電３５によって放電空間１６で励起され、長手方向にレーザ光１１を発生する。
【０１４０】
発生したレーザ光１１は、リアウィンドウ９から後方（図３０中左方）に出射し、レーザチャンバ１０１の外部後方に設けられた狭帯域化ユニット２０に入射する。レーザ光１１は、その内部でプリズム２２、２２によってビーム幅を広げられ、グレーティング２３によって発振波長のスペクトル幅を狭帯域化される。狭帯域化されたレーザ光１１は、リアウィンドウ９からレーザチャンバ１０１に再入射し、フロントウィンドウ７及びフロントミラー８から出射する。このとき、レーザチャンバ１０１の前後には、開口部４５を有するスリット４８、４８が配設されている。これにより、発振するレーザ光１１のビーム幅を開口部４５の幅にまで細くし、レーザ光１１の発散角を小さくすることにより、狭帯域化した場合の発振スペクトルがより細くなるようにしている。
【０１４１】
図３１に示すように、レーザチャンバ１０１内部には、レーザガスをレーザチャンバ１０１内部で循環させて放電空間１６に送り込む貫流ファン１４と、放電によって熱を与えられたレーザガスを冷却するための熱交換器１０７とが、それぞれ所定位置に設置されて
いる。このときのレーザガスのガス流３６は矢印で表され、放電空間１６を図中左から右に流れている。放電空間１６に対する図中左側を上流側、右側を下流側とそれぞれ呼ぶ。アノード１０２1 の側方には、銅等でできた棒状の内部導電体２６と、この外周を包囲する誘電体２７とで構成された予備電離電極１８が配設されている。そして、主放電電極１０２1 、１０２2 間の上下方向略中間位置の、ガス流３６に対して上流側及び下流側には、銅等からなる棒状の導電体によって構成された電界制御電極３７、３７が、長手方向に主放電電極１０２1 、１０２2 に略平行に配置されている。
【０１４２】
主放電電極１０２1 、１０２2 の形状変化等により電極間が不平等電界となった場合、主放電の起こる範囲が広くなってしまう。これに対して電界制御電極３７、３７に電圧−ＶＥを印加することにより、図３２に示すように、平等電界に近づけることができる。これにより、主放電の範囲を狭くすることができる。
【０１４３】
さらに、主放電３５の直前にアノード１０２1 と内部導電体２６との間に起きる予備放電１９により放電空間に発生したマイナスの電荷を有している電子は、左右の電界制御電極３７、３７に印加されているマイナスの電界制御電圧（−ＶＥ）によって反発力を受け、放電空間１６の内側へと押し込まれる。これにより、予備放電１９の起きる領域が左右方向に狭まるため、レーザガスが予備電離される範囲も左右方向に狭まる。レーザガスは予備電離された範囲が優先的に主放電３５に寄与するので、これによっても主放電３５の起きる範囲が狭まり、放電空間１６の左右方向における膨張を抑えて主放電の範囲を狭くすることができる。特に、図３３に示すように、幅の狭い主放電電極１０２1 、１０２2 を使用している本発明の場合には、放電空間の幅が広がりやすいので効果が大きい。
【０１４４】
本実施例に係る電界制御電極３７の形状の他の例を示す。図３４は別の形状の例を示す図であり、電界制御電極３７を網状としている。これにより、電界制御電極３７がガス流３６を妨げる度合いが小さくなり、例えば一部の領域で極端にガス流速が低下するようなことがないので、レーザ光１１のパワーや発振周波数を上げることが可能である。さらに、放電空間１６に対して一様に電界制御電圧（−ＶＥ）を印加できるので、主放電３５によって放電空間１６を移動する電子が確実に内側へ押し込められ、放電空間１６をより効率良く狭めることが可能となる。また、カソード１０２2 を出たばかりのところから電子が押し込め力を受けるので、電子がより垂直に近い動きをする。したがって、放電空間１６の形状がより長方形に近づき、ビームプロファイルが整ったものになる。なお、他の応用例として、棒状の細い電界制御電極３７を複数本、主放電電極１０２1 、１０２2 に平行に上下方向に並べるようにしてもよい。また、網状の電極を流速に影響を与えない程度の金属の多孔体としてもよい。この場合、さらに放電空間から発生した音響波の低減効果も期待できる。
【０１４５】
図３５はさらに別の形状の例を示す図であり、電界制御電極３７の断面形状を流線形の、例えば水滴状としている。これにより、電界制御電極３７がガス流３６を妨げる度合いがさらに小さくなり、ガス流速が低下しないので、発振周波数を上げることが可能である。
【０１４６】
図３６はさらに別の形状の例を示す図であり、電界制御電極３７を、棒状の導電体３９の周囲を誘電体チューブ３８で覆った形状とし、導電体３９に電界制御電圧（−ＶＥ）を印加している。これにより、電界制御電極３７と、主放電電極１０２1 、１０２2 や他のレーザチャンバ１０１内の部品との間で寄生放電が起きるようなことがなく、主放電３５が安定する。
【０１４７】
次に、別の実施例について説明する。図３７に、本実施例に係る電極の詳細図を示す。図３７において、外部電源４４と高圧電源１３とは、何れもエキシマレーザ装置１００を
コントロールするレーザコントローラ５４に接続され、その指示に基づいて電圧を印加するようにしている。なお、図３７において予備電離電極は図示を省略する。レーザコントローラ５４は、例えば図示しない加工機からの指令に基づき、レーザ光１１の発振周波数を決定する。そして、レーザコントローラ５４は発振周波数を高圧電源１３に指示し、高圧電源１３は主放電３５を行ってレーザ光１１を発振周波数でパルス発振させている。
【０１４８】
このとき、レーザコントローラ５４は外部電源４４にも指令信号を出力し、電界制御電圧（−ＶＥ）の値を適切な値に定めている。このレーザコントローラ５４は、外部電源４４に出力する指令信号の値を、例えば放電空間１６が大きく広がるような発振周波数であれば強めの電界制御電圧（−ＶＥ）を、さほど広がらない発振周波数であれば弱めの電界制御電圧（−ＶＥ）を、それぞれ印加するようにしている。これにより、常に一定の形状の放電空間１６が得られ、ビームプロファイルが安定する。
【０１４９】
ところで、主放電電極１０２1 、１０２2 は主放電３５を長時間行うにつれて次第に消耗し、電極間の電界が変化しビームプロファイルが変動することが知られている。これを防止するため、主放電３５を行った時間又はパルス放電数に応じて、レーザコントローラ５４から外部電源４４に指令を送り、電界制御電極３７に印加する電界制御電圧（−ＶＥ）を制御することにより放電空間１６の形状を安定化することが可能である。図３８はそのとき制御の概略のフローチャートである。
【０１５０】
あるいは、図３９に概略の制御のフローチャートを示すように、エキシマレーザ装置１００から発振したビームプロファイルをビームプロファイル検出器等で常にモニターし、このビームプロファイルの変動に基づいて電界制御電圧（−ＶＥ）を制御するようにしてもよい。このようにすれば、ビームプロファイルの変動を抑制し、常に安定したビームプロファイルを得ることが可能となる。図中、ＢＰはビームプロファイルを、ＰＥはパルスエネルギを示しており、ビームプロファイルを取得して仕様（スペック）と比較する代わりに、パルスエネルギを取得して規定値と比較するようにしても、同様に常に安定したビームプロファイルを得ることが可能となる。
【０１５１】
ところで、エキシマレーザ装置１００の使用期間中に電界が変化する大きな原因は、アノード１０２1 の放電面の変形によるものである。そのため、図４０に示したように、アノード１０２1 近傍に電界制御電極３７、３７を配置することが望ましい。電界制御電極３７、３７の形状は、上記したように流れに対する抵抗が少なくなるような形状（図３４、図３５）や、電界制御電極３７−カソード１０２2 間に放電が起きないようにセラミックスを溶射したりセラミックスのチューブで覆う（図３６）ことができる。電界制御電極３７、３７の配置は、図４０に示したように、アノード１０２1 の上流と下流に配置する配置が最も効果的であるが、何れか一方に配置するようにしてもよい。
【０１５２】
次に、長時間使用時の放電電極間の放電の広がりに対して、外部磁界を印加することでその広がりを抑制する磁界制御の実施例について説明する。図４１は１実施例に係わる放電励起レーザ装置の電極部の拡大概略図である。図４１において、図示しないレーザチャンバ内には、主放電電極１０２1 と１０２2 が配設され、カソード１０２2 は絶縁体１３２に取着されており、アノード１０２1 はカソード１０２2 に対向して配設されている。また、カソード１０２2 はカソード電線１３３により高電圧回路に接続され、アノード１０２1 はアノード戻り電線１３４により接地（アース）に接続されている。また、主放電電極１０２1 と１０２2 とは永久磁石で構成し、高電圧側と接地側とはそれぞれ異なった極性を持つ磁極で構成され、対向されている。ここでは、高電圧側の電極１０２2 をＮ極、接地側の電極１０２1 をＳ極としている。なお、Ｎ極、Ｓ極の方向は逆でも同等の効果が得られる（この効果は以下も同様であるので記載はしない。）。磁化は、図４４に示したように、強磁性体とコイルの組み合せで行う。その他の構成は図示しないが、従来のレ
ーザ装置と同様である。
【０１５３】
上記構成において、次にこの方式による放電の動作と特徴について説明する。放電によって生成される荷電粒子（イオン、電子）はアノード１０２1 とカソード１０２2 の間に印加された電界（Ｅ）によるクーロン力により電気力線Ｐに沿って移動しながらレーザー活性を持つ励起領域を形成し、レーザの励起を行う。従来はこの電気力線Ｐのみが荷電粒子を拘束する条件となっていたため、この電気力線Ｐの電束密度分布（電気力線の混み具合）が大きい部分では励起する放電電流密度も高く、レーザガスの利得も高くなる。したがって、電極の消耗による電極形状の変化等が起きてこの電気力線Ｐの変化が引き起こされるような場合には、放電方向の電束密度分布が変化を起こす。すなわち、電気力線Ｐの変化がそのまま荷電粒子の移動経路の変化を引き起こし、放電領域の変化、すなわち、レーザビーム形状の変化を引き起こしていた。この変化を抑制するために、本発明では、上述の通り、この電界と平行させて磁界を印加させる構造としている。一般に電界（Ｅ）と磁界（Ｂ）の中に存在する荷電粒子にはローレンツ力が作用する。理想的には、電界の方向と磁界の方向が直線で、かつ、平行で一致している場合には、速度Ｖで移動する荷電粒子（電荷ｑ）には力として磁界に垂直な面内で円運動を行いながら電界の方向に移動し、その軌跡はらせん状になる（いわゆる、サイクロトロン運動）。図４２は一様磁界中の電子及びイオンのら旋運動を示し、図４２（ａ）は側面図を、図４２（ｂ）は平面図を示す。図４２では、Ｂは磁界、ａは電子、ｂはイオン、ｒce、ｒciはそれぞれ電子、イオンの回転の半径を示す。この場合は、荷電粒子は磁力線に拘束され、拡散による放電の拡がりは抑制される。
【０１５４】
いま、仮に電気力線の方向が電極の消耗等で変化し、外側に凸状に変化した場合を考えると、これらは等価的に外向きの電界成分が発生する。この場合には、サイクロトロン運動のらせんの半径が運動方向と電界方向との関係により増減し、図４３に示すように、Ｅ×Ｂ方向にドリフトする（いわゆる、Ｅ×Ｂドリフト）。図４３では、一様な磁界（磁束密度Ｂ）とそれに垂直な一様な磁界Ｅが存在する場合、サイクロトロン運動を行っている荷電粒子は、その旋回運動の過程において、半周期毎にｑＥなる電界による加速と減速を受け、その度毎に速度ｖの増減と、それに伴う旋回半径ｒc の増減が起こる。この結果、粒子は電荷の符号に関係なくベクトル積Ｅ×Ｂの方向に移動運動する。したがって、電界方向と垂直方向に荷電粒子が移動するため、この場合も電気力線の拡がりによる放電の拡がりを抑制することができる。
【０１５５】
図４４は、磁界制御の別の実施例の放電励起レーザ装置の電極部の拡大概略図である。図４４において、電極１０２1 と１０２2 とをニッケル、コバルトあるいは鉄等の強磁性金属、あるいは、これらの合金の強磁性金属で構成して対向して配置する。電極１０２2 のカソードは絶縁体１３２に取着されている。電極１０２1 のアノードは電極１０２2 に対向して配設されている。また、カソード１０２2 はカソード電線１３３により高電圧回路に接続され、アノード１０２1 はアノード戻り電線１３４により接地（アース）に接続されている。アノード１０２1 及びカソード１０２2 の両方端面（Ｒ）の近傍にはコイル１４４が配設されている。コイル１４４には図示しない配線が接続されている。
【０１５６】
上記構成において、その作動について説明する。この場合には、コイル１４４に通電することによりカソード１０２2 及びアノード１０２1 は通電により電磁石を形成し、高電圧側と接地側とはそれぞれ異なった極性を持つ磁極で構成され、対向されている。通電の強度を強くすることにより、電極間に形成される磁界強度が強められ、ビームの安定性がさらに向上する。
【０１５７】
図４５は、磁界制御のさらに別の実施例の放電励起レーザ装置の電極部の拡大概略図である。図４５において、電極１０２1 と１０２2 とは強磁性あるいは常磁性金属で構成し
、かつ、対向して配置し、さらに、アノード１０２1 とカソード１０２2 の下部には当接してニッケル、コバルト及び鉄等の強磁性金属、あるいは、これらの合金よりなる電磁石体１５１、１５２を配置している。また、アノード１０２1 、カソード１０２2 、及び、電磁石体１５１、１５２の両方端面（Ｗ）の近傍にはコイル１４４が配設されている。コイル１４４には図示しない配線が接続されている。
【０１５８】
上記構成において、その作動について説明する。この場合には、コイル１４４に通電することにより電磁石体１５１、１５２は通電により電磁石を形成し、高電圧側と接地側とはそれぞれ異なった極性を持つ磁極になり、対向されている。したがって、アノード１０２1 とカソード１０２2 もそれぞれ異なった極性を持つ磁極になり、かつ、通電の強度を強くすることにより、電極間に形成される磁界強度が強められ、ビームの安定性がさらに向上する。
【０１５９】
ところで、主放電電極１０２1 、１０２2 は長時間放電を行うにつれて次第に消耗し、電極間の電界が変化しビームプロファイルやパルスエネルギのレーザ性能が変動することが知られている。これを防止するため、磁界制御においても電磁石の磁力を制御することによりこのレーザ性能の変化を抑えることができる。その際には、電磁石に流れる電流を制御する。電流の大きさは、上記のレーザ性能をセンサー等で監視しておき、仕様（スペック）を満たすように決定する。図４６はそのとき制御の概略のフローチャートである。図４６に示すように、エキシマレーザ装置１００から発振したビームプロファイル（ＢＰ）あるいはパルスエネルギ（ＰＥ）をビームプロファイル検出器等で常にモニターし、このビームプロファイルの変動に基づいて電磁石に流れる電流を制御するようにする。このようにすれば、ビームプロファイルあるいはパルスエネルギの変動を抑制し、常に安定したビームプロファイル、パルスエネルギを得ることが可能となる。
【０１６０】
ところで、主放電電極１０２1 、１０２2 は主放電３５を長時間行うにつれて次第に消耗し、電極間の電界が変化しビームプロファイルが変動することが知られている。これを防止するため、主放電３５を行った時間又はパルス放電数に応じて、レーザコントローラ５４から外部電源４４に指令を送り、電界制御電極３７に印加する電界制御電圧（−ＶＥ）を制御することにより放電空間１６の形状を安定化することが可能である。図４７はそのとき制御の概略のフローチャートである。図４７に示すように、発振回数に応じてフィードフォアードで電流の大きさを制御するようにしてもよい。
【０１６１】
以上、本発明の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置を主としてエキシマレーザについて説明したが、放電励起のレーザ装置全てについて適用可能であり、特にフッ素レーザについてはエキシマレーザと全く同様に適用可能である。また、本発明は以上の実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１６２】
本発明においては、露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザ等の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置において、放電領域の幅を狭くし、かつ、放電電極が経時的に劣化しても放電幅が変化しないようにすることができ、必要ガス流速の増大及びファンへの投入電力の増大を抑えて、４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作と長時間使用を可能にすることができる。
【符号の説明】
【０１６３】
１…初期の電極形状
２…膨張した電極形状
３…空孔
４…空孔
７…フロントウィンドウ
８…フロントミラー
９…リアウィンドウ
１１…レーザ光
１３…高圧電源
１４…貫流ファン
１６…放電空間
１８…予備電離電極
１９…予備放電
２０…狭帯域化ユニット
２２…プリズム
２３…グレーティング
２６…内部導電体
２７…誘電体
３５…主放電
３６…ガス流
３７…電界制御電極
３８…誘電体チューブ
３９…導電体
４５…開口部
４８…スリット
４４…外部電源
５４…レーザコントローラ
１００…エキシマレーザ装置
１０１…レーザチャンバ
１０２…主放電電極
１０２1 …アノード（主放電電極）
１０２2 …カソード（主放電電極）
１０２Ａ…電極の母材
１０２Ｂ…絶縁物のコート
１０２Ｃ…コーティング層
１０３…高電圧パルス発生装置
１０４…ファン
１０５…狭帯域化モジュール
１０６…出力鏡
１０７…熱交換器
１１０…発振段レーザ（オシレーター）
１１１…レーザチャンバ
１１３…狭帯域化モジュール
１１４…拡大プリズム
１１５…グレーティング（回折格子）
１１６…フロントミラー
１１７、１１７’…電源
１１８…リアミラー
１２０、１２０’…増幅段（アンプ）
１２１… 同期コントローラ
１２２…ウィンドー部材
１２３…穴
１３１…金属
１３２…絶縁体
１３３…カソード電線
１３４…アノード戻り電線
１４４…コイル
１５１、１５２…電磁石体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電励起式パルス発振ガスレーザ装置に関し、特に、放電領域の幅を狭くして必要ガス流速の増大及びファンへの投入電力の増大を抑え、４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作と長時間使用を可能にした露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザ等の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザにおいては、露光機のスループットを向上させるため高出力化が要求され続けている。高出力を得るためには、１パルス当たりの出力エネルギを増加させる方法と、出力エネルギは同じで繰り返し周波数を増加させる方法がある。通常、光学部品のダメージを軽減させる観点から、後者の高繰り返し化が要求される。
【０００３】
露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザにおいて繰り返し周波数を上げる際において問題となるのは、主放電電極間でのレーザガスの循環流速である。循環流速が不足している場合、前パルスで発生した放電生成物等が次パルスに影響を与えて放電が不安定になる。これにより出力のばらつきが大きくなり、最悪の場合発振が停止する。例えば、２ｋＨｚ動作から４ｋＨｚ動作にするためには、２倍のガス循環速度が必要になる。２倍のガス流速を得るためには、通常のファン構造では８倍の電力が必要になる。
【０００４】
安定した放電に必要なガス循環流速ｖは、流れに対して平行な方向の放電領域の幅ｗに比例する。この幅が小さいと同じガス流速でも動作できる発振周波数ｆは高くなる。この関係は次のクリアランスレシオＣＲの式で説明される。ＣＲは一般的に３〜６の定数となる。
【０００５】
ＣＲ＝ｖ／（ｆ×ｗ） ・・・（１）
したがって、後記する本発明は、この放電領域の幅を狭くすることにより、必要ガス流速の増大及びファンへの投入電力の増大を抑え、４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作を可能にすることを目的としている。
【０００６】
また、高出力化と同時に、レーザに要求されているスペクトル線幅の超狭帯域化に対して、放電幅を狭くすることは、スリットでケラレる光量が減ってレーザ光の利用効率を高める点からもメリットがある。
【０００７】
ところで、高繰り返し、高出力の半導体露光用の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置としては、レーザ発振器１台のみからなるレーザ装置以外に、発振段レーザとこの発振段レーザから放出されるレーザ光を増幅する増幅段とからなる２ステージレーザ装置が知られている。２ステージレーザ装置には、ＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier ）とＭＯＰＯ（Master Oscillator Power Oscillator）の２つの方式が知られている。前者は、増幅段に共振器を用いない方式、後者は増幅段に共振器を用いる方式である。２ステージレーザ装置においても、発振段、増幅段何れでも同期してレーザガスの放電励起を行っており、高繰り返し動作を可能にするためには、発振段、増幅段何れでも放電領域の幅を狭くすることにより、必要ガス流速の増大及びファンへの投入電力の増大を抑える必要がある。したがって、後記する本発明では、２ステージレーザ装置の発振段と増幅段とも対象にしている。以下、レーザ発振器１台のみからなるレーザ装置と、２ステージレーザ装置の概略の構成を説明しておく。
【０００８】
図１は、レーザ発振器１台のみからなる露光用ガスレーザ装置の構成例を示す図であり、両端に窓部が設けられたレーザチャンバ１０１内には所定の組成比のレーザガスが満たされている。このレーザガスを励起するための一対の主放電電極１０２、１０２がレーザ発振方向と垂直な向きにレーザチャンバ１０１内に対向配置される。そして、高電圧パルス発生装置１０３により高電圧パルスを印加して主放電電極１０２、１０２間で放電を行い、レーザガスを励起させ、レーザ発振の元となる蛍光を発生させる。
【０００９】
高繰り返し発振の際、放電により生じた電離物質等を次の放電前に放電空間から除去するために、レーザチャンバ１０１内に配置されたファン１０４の回転によりレーザガスはレーザチャンバ１０１内を強制循環している。このレーザガス循環により、主放電電極１０２、１０２間のレーザガスは、放電発生後、次の放電が発生する前に新しいガスに置換されるので、次の放電は安定な放電となる。
【００１０】
放電により生じた蛍光は、狭帯域化モジュール１０５に配置された狭帯域化光学系により所定の波長に選択されながら、部分透過出力鏡１０６との間を往復することによりレーザ発振し、レーザ光として出力鏡１０６から取り出される。なお、狭帯域化光学系は、例えば１個以上のプリズムからなるビーム拡大光学系とリトロー配置の反射型回折格子とから構成される。
【００１１】
図２、図３は、２ステージレーザ装置の構成例を示す図である。図２はＭＯＰＡ方式の場合の構成例、図３は増幅段の共振器に不安定共振器を用いたインジェクションロック方式の場合の増幅段（アンプ）の構成例を示す。図３の発振段レーザ（オシレーター）には、図２と同様のものが用いられる。
【００１２】
図２は装置を上方から見た場合の概要を示す図である。発振段レーザ（オシレーター）１１０から放出されるレーザビームは、レーザシステムのシードレーザビーム（種レーザビーム）としての機能を有する。増幅段（アンプ）１２０、１２０’は、そのシードレーザ光を増幅する機能を有する。すなわち、発振段レーザ１１０のスペクトル特性によりレーザシステムの全体のスペクトル特性が決定される。そして、増幅段１２０、１２０’によってレーザシステムからのレーザ出力（エネルギ又はパワー）が決定される。
【００１３】
発振段レーザ１１０、増幅段１２０、１２０’共に、チャンバ１１１は同じレーザガスが充填されている。
【００１４】
レーザチャンバ１１１は内部に放電部を有している。放電部は紙面と垂直方向に上下に設置されている一対のカソード、アノード電極（主放電電極）１０２からなる。これらの一対の電極１０２に、電源１１７、１１７’から高電圧パルスが印加されることにより、電極１０２間で放電が発生する。なお、図２、図３では、上部電極１０２のみが図示されている。
【００１５】
チャンバ１１１内に設置された一対の電極１０２間の光軸延長上両端に、ＣａＦ2 等のレーザ発振光に対して透過性がある材料によって作られたウィンドー部材１２２がそれぞれ設置されている。ここでは、両ウィンドー部材１２２のチャンバ１１１と反対側の面（外側の面）は互いに平行に、そして、レーザ光に対して反射損失を低減するためにブリュースター角で設置されている。
【００１６】
また、図２、図３では図示されていないシリンドリカルファン（クロスフローファン）がチャンバ１１１内に設置されており、レーザガスをチャンバ１１１内で循環させ、放電部にレーザガスを送り込んでいる。
【００１７】
発振段レーザ１１０は、拡大プリズム１１４とグレーティング（回折格子）１１５によって構成された狭帯域化モジュール１１３を有し、この狭帯域化モジュール１１３内の光学素子とフロントミラー１１６とでレーザ共振器を構成する。
【００１８】
発振段レーザ１１０からのレーザビーム（シードレーザビーム）は、図示を省略した反射ミラー等を含むビーム伝播系により増幅段１２０、１２０’へ導かれ、注入される。図３に示すインジェクションロック方式では、小入力でも増幅できるように、増幅段１２０’には、例えば倍率が３倍以上の不安定型共振器が採用される。
【００１９】
インジェクションロック方式の増幅段１２０’の不安定共振器のリアミラー１１８には穴１２３が開いており、この穴１２３を通過したレーザが図３の矢印のように反射し、また、注入されたシードレーザビームは拡大され、放電部を有効に通過してレーザビームのパワーが増大する。
【００２０】
同期コントローラ１２１は、発振段レーザ１１０、増幅段１２０、１２０’の放電タイミングを制御する。まず、電源１１７から発振段レーザ１１０の一対の電極１０２に高電圧パルスを印加させるＯＮ指令として、発振段レーザ１１０の電源１１７にトリガ信号を送信する。そして、所定時間後、増幅段１２０、１２０’の電源１１７’にＯＮ指令としてのトリガ信号を送信する。
【００２１】
上記所定時間とは、発振段レーザ１１０からシードレーザ光が増幅段１２０、１２０’内に入射するタイミングと増幅段１２０、１２０’が放電するタイミングを同期させるための時間である。
【００２２】
ところで、一般的に、放電励起エキシマレーザ、フッ素分子レーザでは、主放電電極として、例えば、チャン型、エルンスト型が使用されている。こうした例は、特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載されている。しかし、このような電極では電極間に均一な電界が得られ放電が安定する一方、長時間使用していると電極表面の磨耗により、放電幅が広くなる問題点がある。露光用レーザにおいては、放電幅の広がりは、高繰り返し動作に必要なガス流速の増加や、スペクトル品位の劣化、発振効率の低下につながる。
【００２３】
そこで、電極が磨耗しても放電が広がらないような放電幅と電極幅を略一致させた電極形状が提案されている（特許文献４等）。この電極では不平等電界により放電を発生させており、上記の電極に比較して放電の安定性は少し劣るものの、放電幅は電極が磨耗しても変化し難い。しかし、この電極形状においても、電極幅をさらに狭くしていくと、放電幅が狭くなり難くなる問題が発生した。これは、電極幅方向の端部の電界分布により、放電幅が広がる影響が発生したためである。
【００２４】
また、電極幅を狭くしていくと、電極表面の電界分布の影響が強くなるため、程度は小さいながら長時間使用により、放電幅が変化していく傾向が示された。放電幅が広がる要因は、電極表面の劣化（凹凸の変形) 、表面形状の変化（電界分布の変化) 、及び、エネルギ一定制御の場合は、放電入力の増加等である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２５】
【特許文献１】実開昭６１−１７４７６４号公報
【特許文献２】特開昭６３−２２７０６９号公報
【特許文献３】特開平４−７７５号公報
【特許文献４】特開平４−１０１４７５号公報
【特許文献５】特開２００１−３３２７８６号公報
【特許文献６】特開２００３−１５２２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザ等の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置において、放電領域の幅を狭くし、かつ、放電電極が経時的に劣化しても放電幅が変化しないようにすることにより、必要ガス流速の増大及びファンへの投入電力の増大を抑え、４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作と長時間使用を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記目的を達成する本発明の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置は、少なくとも、レーザガスを封入するレーザチャンバと、そのレーザチャンバ内部に対向して平行に設置された少なくとも一対の細長いアノードとカソードを有する放電電極とを備え、
前記アノード及び前記カソードの放電面形状が、電極長手方向に直交する断面において凸面の曲線形状であり、
接地電位の電極の幅Ｗｅと放電電極間の最小間隔ｇがｇ／Ｗｅ＞３の関係を有し、
前記放電電極間へ４ＫＨｚ以上のパルス繰り返し数で、５０ｍＪ／ｃｍ3 以上の密度の電力を供給する電源を備え、
前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が、楕円、双曲線、又は、次の式で表現される高次関数（ただし、ｈは電極曲線部高さ、ｘは電極の幅方向の位置座標、ｙは電極の凸面方向の座標、Ｎは３以上の整数）の何れかであり、
ｘN ／（Ｗｅ／２）N ＋ｙN ／ｈN ＝１ ・・・（Ａ）
電極幅内において、ΔＥ＝電界強度の差、Ｅave ＝電界強度平均値とし、その割合ΔＥ／Ｅave が３５％以下であることを特徴とするものである。
【００２８】
その場合に、前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が楕円であり、
０．１１≦ｈ／Ｗｅ≦０．２７ ・・・（４）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３０％以下であるものとすることができる。
【００２９】
あるいは、前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が双曲線であり、
０．１２≦ｈ／Ｗｅ≦０．２２ ・・・（５）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３０％以下であるものとすることができる。
【００３０】
あるいは、前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状がＮ＝３の高次関数であり、
０．１６≦ｈ／Ｗｅ≦０．４２ ・・・（６）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３５％以下であるものとすることができる。
【００３１】
あるいは、前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状がＮ≧４の高次関数であり、
０．２≦ｈ／Ｗｅ≦０．６８ ・・・（７）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３５％以下であるものとすることができる。
【００３２】
また、以上において、前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記コーティング層中に空孔が配置されているものとすることが望ましい。
【００３３】
また、前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の表面近傍に空孔が配置されていることものとすることが望ましい。
【００３４】
また、前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の金属としてフッ化したときに前記母材から剥離しやすい金属が混入されているものとすることが望ましい。
【００３５】
また、前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の側面に絶縁物若しくは金属導体を添加した絶縁物のコートが設けられているものとすることが望ましい。
【００３６】
また、前記アノードと前記カソードの間に形成される放電空間の側方に、前記放電電極と長手方向に略平行に電界制御電極を配置することが望ましい。
【００３７】
その場合、前記電界制御電極に印加する電界制御電圧を、レーザ光の発振条件又は履歴に応じて変化させるようにすることができる。
【００３８】
また、前記放電電極の放電方向に略平行な磁力線を持つ磁界を前記放電電極間の放電空間に発生する永久磁石を有することが望ましい。
【００３９】
また、前記放電電極の放電方向に略平行な磁力線を持つ磁界を前記放電電極間の放電空間に発生する電磁石を有することが望ましい。
【００４０】
その場合、前記電磁石に流す電流を、レーザ光の発振条件又は履歴に応じて変化させるようにすることができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明においては、露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザ等の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置において、放電領域の幅を狭くし、かつ、放電電極が経時的に劣化しても放電幅が変化しないようにすることができ、必要ガス流速の増大及びファンへの投入電力の増大を抑えて、４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作と長時間使用を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明が適用可能なレーザ発振器１台のみからなる露光用ガスレーザ装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明が適用可能なＭＯＰＡ方式の２ステージレーザ装置の構成例を示す図である。
【図３】本発明が適用可能な増幅段の共振器に不安定共振器を用いたインジェクションロック方式の２ステージレーザ装置の増幅段レーザの構成例を示す図である。
【図４】本発明における電極幅と放電幅を狭める考え方を模式的に示す図である。
【図５】主放電電極間に電位をかけたときの電位分布（等電位面）の一例を示す図である。
【図６】電極の幅Ｗｅに対し電極の先端部に高さｈで表される曲線部を設けた電極表面形状を示す図である。
【図７】電極表面に凸部で示される曲線部を設け、横軸に電極幅、縦軸に電界強度分布をとった従来の具体例を示す図である。
【図８】電極幅Ｗｅ、曲線部高さｈ、放電幅Ｗｄを示す図である。
【図９】電極部周辺構造とその作用効果を説明するための図である。
【図１０】従来の繰り返し周波数４ｋＨｚの装置における電極表面形状及び電極表面電界強度分布を示す図である。
【図１１】電極幅を狭くし、電極曲線部高さが楕円数式で示される形状とする場合の電極表面上の電界強度及び電極表面の形状をとったグラフである。
【図１２】図１１の場合のｈ／Ｗｅに対する電界強度割合、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフである。
【図１３】電極幅を狭くし、電極曲線部高さが双曲線数式で示される形状とする場合の電極表面上の電界強度及び電極表面の形状をとったグラフである。
【図１４】図１３の場合のｈ／Ｗｅに対する電界強度割合、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフである。
【図１５】電極幅を狭くし、電極曲線部高さが高次（３次）関数数式で示される形状とする場合の電極表面上の電界強度及び電極表面の形状をとったグラフである。
【図１６】図１５の場合のｈ／Ｗｅに対する電界強度割合、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフである。
【図１７】電極幅を狭くし、電極曲線部高さが高次（４次）関数数式で示される形状とする場合の電極表面上の電界強度及び電極表面の形状をとったグラフである。
【図１８】図１７の場合のｈ／Ｗｅに対する電界強度割合、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフである。
【図１９】電極幅を狭くし、電極曲線部高さが高次（５次）関数数式で示される形状とする場合の電極表面上の電界強度及び電極表面の形状をとったグラフである。
【図２０】図１９の場合のｈ／Ｗｅに対する電界強度割合、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフである。
【図２１】電極の電極幅方向の端部に角丸めを付けた場合の電極の断面図である。
【図２２】電極幅を狭くし、電極曲線部高さが角丸めで示される形状とする場合の電極表面上の電界強度及び電極表面の形状をとったグラフである。
【図２３】図２２の場合のｈ／Ｗｅに対する電界強度割合、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフである。
【図２４】本発明の具体的な一例の主放電電極の電極表面における電界強度分布と電極形状を示す図である。
【図２５】本発明において陽極と陰極の表面形状が異なる場合の電極表面における電界強度分布と電極形状を示す図である。
【図２６】長寿命電極において電極の劣化が進むにつれて電極が膨張する様子を示す図である。
【図２７】本発明に基づき長寿命電極構造の放電面部分に緩衝地帯としてセラミックス層中に空孔を配置する構成を示す断面図である。
【図２８】本発明に基づき長寿命電極構造の母材部分の上部に緩衝地帯として空孔を配置する構成を示す断面図である。
【図２９】本発明に基づき長寿命電極の側面に放電抑制部材として絶縁物のコートを配置する構成を示す断面図である。
【図３０】放電の広がりを電界制御する実施例に係るエキシマレーザ装置の平面図である。
【図３１】図３０のＡ−Ａ視断面図である。
【図３２】電界制御電極に電圧を印加することにより平等電界に近づけることができる様子を示す図である。
【図３３】本発明の幅の狭い主放電電極を使用する場合に電界制御が有効であることを示す図である。
【図３４】電界制御電極を網状とした例を示す図である。
【図３５】電界制御電極を水滴状とした例を示す図である。
【図３６】電界制御電極を棒状の導電体の周囲を誘電体チューブで覆った形状とした例を示す図である。
【図３７】電界制御電極に印加する電界制御電圧を制御するための回路構成を示す図である。
【図３８】主放電を行った時間又はパルス放電数に応じて電界制御電極に印加する電界制御電圧を制御する例の概略のフローチャートである。
【図３９】発振したビームプロファイルの変動に基づいて電界制御電圧を制御する例の概略のフローチャートである。
【図４０】アノード近傍に電界制御電極を配置する例を示す図である。
【図４１】放電の広がりを磁界制御する実施例に係わる放電励起レーザ装置の電極部の拡大概略図である。
【図４２】一様磁界中の電子及びイオンのら旋運動を示す図であり、（ａ）は側面図を、（ｂ）は平面図である。
【図４３】電気力線が外側に凸状に変化した場合にサイクロトロン運動のらせんの半径が運動方向と電界方向との関係により増減し、Ｅ×Ｂ方向にドリフトする様子を説明するために図である。
【図４４】磁界制御の別の実施例の放電励起レーザ装置の電極部の拡大概略図である。
【図４５】磁界制御のさらに別の実施例の放電励起レーザ装置の電極部の拡大概略図である。
【図４６】発振したビームプロファイル等の変動に基づいて電磁石に流す電流を制御する例の概略のフローチャートである。
【図４７】発振回数に応じてフィードフォアードで電磁石に流す電流を制御する例の概略のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下に、本発明の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置の原理を説明する。
【００４４】
図１〜図３で例示したような半導体露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザにおいて、主放電電極１０２、１０２間の間隔をｇ、その電極１０２の幅をＷｅとするとき、
ｇ／Ｗｅ＞３ ・・・（２）
電力入力密度＞５０ｍＪ／ｃｍ3 ・・・（３）
の条件のときに放電幅が狭くなり難いことが実験から分かり、そのとき、放電は電極端部（電極幅方向の端部）からも強く発生していることが分かった。
【００４５】
そこで、本発明では、図４に模式的に考え方を示すように、電極幅と放電幅を略一致させた放電電極において、電極１０２の幅をｇ／Ｗｅ＞３の条件下で、図４（ａ）から（ｂ）へ示すように、Ｗｅ１からＷｅ２へ狭くするときに、放電幅もＷｄ１からＷｄ２へ狭くなるが、その際に電極表面電界分布を均一化すると、放電幅はＷｄ３へとより狭くなり、クリアランスレシオの式（１）で与えられる必要流速低減の効果が現れ、４ｋＨｚレーザと同じガス流速において、６ｋＨｚの高繰り返し動作が可能なった。なお、式（１）の関係があるので、高繰り返し動作で出力を増加させたい場合には、ｇを大きくするか、あるいは、電極長Ｌを伸ばすことが必要になる。
【００４６】
また、長時間使用に対しては、電極表面の劣化低減、表面形状の変化抑止のため、電極表面にコーティングを施す、電極材料を選択する（耐磨耗性、耐フッ素反応性、フッ化銅層成長の抑止）ことも実施した。
【００４７】
さらには、長時間使用時の放電広がりに対して、外部電界、外部磁界を印加して抑制することも実施した。
【００４８】
以下に、これらの手段を順に説明する。
【００４９】
まず、放電電極の幅を狭くしたときに電極表面電界分布が均一となるよう電極形状を求め、それによって放電を全領域にわたって均一化させ、その結果電極が均等に消耗し、放電幅が変化しないようにする点について説明する。
【００５０】
主放電電極１０２では、不平等電界により放電を発生させており、電界分布が不均一な領域が存在する。放電領域の中、光軸（電極長手方向）と垂直な断面において、電極部近傍領域のみ電界分布が不均一であり、その他の領域においては電界分布が均一となっている。そのため、電極部近傍部の電界のみ考慮すればよい。
【００５１】
図５に、電極１０２間に電位をかけたときの電位分布（等電位面）を示す。電極部近傍において、等電位面の間隔・勾配が不均一になるので、電極表面における電界強度分布を検討した。電界強度分布とは、図５で示される等電位面と直交する電気力線の疎密状態を表し、電気力線が密な箇所は電界が強く、疎な箇所は電界が弱い。
【００５２】
なお、光軸に対して平行な方向においては、電界強度分布が均一であるため、光軸に対して垂直な断面の方向について検討する。
【００５３】
電極部近傍における電界強度分布は、電極表面形状と電極部周辺構造部材形状に依存している。電極表面形状を矩形にした場合、電極端部の電界分布の影響が強くなるため、電極表面形状に曲線部を有することが望ましい。一例として、図６に示すように、電極１０２の幅Ｗｅに対し、電極１０２の先端部に高さｈで表される曲線部を設ける。
【００５４】
電極表面に凸部で示される曲線部を設け、横軸に電極幅、縦軸に電界強度（ＭａｇＥ）分布をとった具体例を図７（ａ）〜（ｃ）に示す。なお、図７（ａ）〜（ｃ）には、電極１０２の先端部の断面形状も合わせて示してある。
【００５５】
電極表面で電界強度が強い場所が放電開始点となる。図７（ａ）のように、電極曲線部高さｈが小さいと、電極端部における電界強度が強くなる。放電が電極端部に集中し放電幅が広がる。また、寿命の点からも、電極端部がより早く消耗するため、放電幅が変化してしまう。図７（ｂ）のように、電極曲線部高さｈが大きいと、電極中央部における電界強度が強くなる。放電が電極中央部に集中し、出力が低下する。また、寿命の点からも電極中央部がより早く消耗するため、放電幅が変化してしまう。そのため、図７（ｃ）のように、電界強度分布が均一となるよう電極形状を設定することが望ましい。このような形状においては、放電が全領域にわたって均一化するため、電極が均等に消耗し、放電幅が変化しない。
【００５６】
そこで、図７（ｃ）のように、電界強度分布が均一となるよう電極形状を設定する。そのための設計として、電極構造部材を決定するに当たり、図８に示すように、電極幅をＷｅ及び曲線部高さをｈとする。また、このときの放電幅をＷｄとする。
【００５７】
従来の４ｋＨｚレーザの電極形状は、電極幅Ｗｅ＝３．０ｍｍ、電極表面曲線高さｈ＝０．３ｍｍである。すなわち、
電極幅Ｗｅ 曲線部高さｈ ｈ／Ｗｅ
３．０ｍｍ ０．３ｍｍ １／１０
電極幅Ｗｅは、寿命の点からも経時変化しない。式（１）のクリアランスレシオＣＲ＝ｖ／（ｆ×ｗ）より、安定な放電に必要な放電間におけるガス循環流速ｖ一定の下で、繰り返し周波数ｆを４ｋＨｚから６ｋＨｚに可能にするため、Ｗｅを狭くすることが好まし
い。
【００５８】
電極間ギャップｇ・電極長Ｌは必要な出力エネルギに応じて決定する。ここでは、出力１５ｍＪのＡｒＦエキシマレーザ装置を想定して、ｇ＝１６ｍｍ、Ｌ＝６００ｍｍとする。
【００５９】
電極部周辺構造に関しては、図９（ａ）に示すように、カソード１０２2 の根元に絶縁体１３２を設け、その絶縁体１３２にて電極１０２2 の側面部を覆う。また、金属１３１によりアノード１０２1 の側面部を覆う。陰極部１０２2 は高電位側であるため、絶縁体１３２、陽極部１０２1 は接地側であるため金属１３１を用いる。このように電極１０２1 、１０２2 の側面部を金属１３１、絶縁体１３２で覆うことにより、電極端部における電界強度を緩和し、図９（ｂ）のようにそれぞれを覆わない場合に比較して、図９（ｃ）に示すように、放電幅が電極幅より広がる影響を抑制する効果が期待される。
【００６０】
また、同時に、繰り返し周波数４ｋＨｚ以上の動作のため、音響波やガス循環の観点から、電極間に滞在する音響波を電極周辺部に逃がすため、図９（ａ）に示すように、電極の根元に設けた絶縁体１３２と金属１３１を放電領域から外側に向かって傾斜角度のついた形状、また、放電に必要なガス循環を維持するため、ガス流速分布が滑らかになる形状とする。
【００６１】
以上のような電極部周辺構造を前提にして、以下の議論は信頼性の高い有限要素法を用いた解析に基づくものである。
【００６２】
電極１０２1 、１０２2 間に、約２０ｋＶの電位がかかるとして、電極表面における電界強度分布を求めた。
【００６３】
従来の繰り返し周波数４ｋＨｚの装置における電極表面形状及び電極表面電界強度分布を図１０に示す。電極幅内において、ΔＥ＝電界強度の差、Ｅave ＝電界強度平均値とし、その割合ΔＥ／Ｅave を求めると、ΔＥ／Ｅave ＝３６．９となる。なお、電極曲線部高さは楕円数式で示される形状である。なお、図１０で縦軸の“1.E+06" 等は“ 1×10+6" 等を意味する。以下、同じ。
【００６４】
繰り返し周波数４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作を可能にするために、以下に、電界強度分布が均一となるよう、電極曲線部の断面形状と、電極幅Ｗｅと電極曲線部高さｈの関係を定め、電極部構造を最適なものにする。
【００６５】
（１）電極幅Ｗｅを狭くする。電極曲線部高さは楕円数式で示される形状を用いる。
【００６６】
Ｗｅ＝２ｍｍ、
楕円の関数：ｘ2 ／（Ｗｅ／２）2 ＋ｙ2 ／ｈ2 ＝１、すなわち、
ｘ2 ＋ｙ2 ／ｈ2 ＝１
とする。ｈを変更し、横軸に電極中心からの距離ｘ、縦軸に電極表面上の電界強度Ｅ及び電極表面の形状をとったグラフを図１１に示す。また、その場合の横軸にｈ／Ｗｅ、縦軸に電界強度割合ΔＥ／Ｅave 、レーザ出力エネルギ（最大レーザ出力エネルギに対する比）、放電幅をとったグラフを図１２に示す。
【００６７】
図１２から、ΔＥ／Ｅave はｈ／Ｗｅに対して最小値を持つ。ΔＥ／Ｅave の最小値近辺で使用するために、ｈ／Ｗｅの適正範囲を定める。ｈ／Ｗｅの適正範囲は、レーザ出力エネルギ、放電幅から決定する。
【００６８】
レーザ出力エネルギの有効範囲は、最大レーザ出力エネルギの９０％より大きい範囲とする。９０％以下であると、十分なレーザ出力が得られない。
【００６９】
放電幅Ｗｄの有効範囲は、電極幅Ｗｅプラスその１５％、すなわち、Ｗｅ＋０．３ｍｍより小さい範囲とする。Ｗｅ＋０．３ｍｍ以上であると、必要なクリアランスレシオＣＲがとれなくなる。
【００７０】
以上の基準を満たす範囲ｈ／Ｗｅの適正範囲は、図１２より、
０．１１≦ｈ／Ｗｅ≦０．２７ ・・・（４）
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図１２より、従来の４ｋＨｚレーザ装置における電極表面の電界強度分布（ΔＥ／Ｅave ＝３６．９）と比較して、ΔＥ／Ｅave ＜３０％と改善している。
【００７１】
また、これより、Ｗｄ＞Ｗｅとなっている。
【００７２】
（２）電極幅Ｗｅを狭くする。電極曲線部高さは双曲線数式で示される形状を用いる。
【００７３】
Ｗｅ＝２ｍｍ、
双曲線の関数：ｘ2 ／（Ｗｅ／２）2 −ｙ2 ／ｈ2 ＝−１、すなわち、
ｘ2 −ｙ2 ／ｈ2 ＝−１
とする。ｈを変更し、横軸に電極中心からの距離ｘ、縦軸に電極表面上の電界強度Ｅ及び電極表面の形状をとったグラフを図１３に示す。また、その場合の横軸にｈ／Ｗｅ、縦軸に電界強度割合ΔＥ／Ｅave 、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフを図１４に示す。
【００７４】
図１４から、ΔＥ／Ｅave はｈ／Ｗｅに対して最小値を持つ。ΔＥ／Ｅave の最小値近辺で使用するために、ｈ／Ｗｅの適正範囲を定める。ｈ／Ｗｅの適正範囲は、レーザ出力エネルギ、放電幅から決定する。
【００７５】
（１）の場合と同様に、レーザ出力エネルギの有効範囲を、最大レーザ出力エネルギの９０％より大きい範囲とし、放電幅Ｗｄの有効範囲を、Ｗｅ＋０．３ｍｍより小さい範囲とする。
【００７６】
以上の基準を満たす範囲ｈ／Ｗｅの適正範囲は、図１４より、
０．１２≦ｈ／Ｗｅ≦０．２２ ・・・（５）
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図１４より、従来の４ｋＨｚレーザ装置における電極表面の電界強度分布（ΔＥ／Ｅave ＝３６．９）と比較して、ΔＥ／Ｅave ＜３０％と改善している。
【００７７】
また、これより、Ｗｄ＞Ｗｅとなっている。
【００７８】
（３）電極幅Ｗｅを狭くする。電極曲線部高さは高次（３次）関数数式で示される形状を用いる。
【００７９】
Ｗｅ＝２ｍｍ、
高次（３次）の関数：ｘ3 ／（Ｗｅ／２）3 ＋ｙ3 ／ｈ3 ＝１、すなわち、
ｘ3 ＋ｙ3 ／ｈ3 ＝１
とする。ｈを変更し、横軸に電極中心からの距離ｘ、縦軸に電極表面上の電界強度Ｅ及び電極表面の形状をとったグラフを図１５に示す。また、その場合の横軸にｈ／Ｗｅ、縦軸
に電界強度割合ΔＥ／Ｅave 、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフを図１６に示す。
【００８０】
図１６から、ΔＥ／Ｅave はｈ／Ｗｅに対して最小値を持つ。ΔＥ／Ｅave の最小値近辺で使用するために、ｈ／Ｗｅの適正範囲を定める。ｈ／Ｗｅの適正範囲は、レーザ出力エネルギ、放電幅から決定する。
【００８１】
（１）の場合と同様に、レーザ出力エネルギの有効範囲を、最大レーザ出力エネルギの９０％より大きい範囲とし、放電幅Ｗｄの有効範囲を、Ｗｅ＋０．３ｍｍより小さい範囲とする。
【００８２】
以上の基準を満たす範囲ｈ／Ｗｅの適正範囲は、図１６より、
０．１６≦ｈ／Ｗｅ≦０．４２ ・・・（６）
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図１６より、従来の４ｋＨｚレーザ装置における電極表面の電界強度分布（ΔＥ／Ｅave ＝３６．９）と比較して、ΔＥ／Ｅave ＜３５％と改善している。
【００８３】
また、これより、Ｗｄ＞Ｗｅとなっている。
【００８４】
（４）電極幅Ｗｅを狭くする。電極曲線部高さは高次（４次）関数数式で示される形状を用いる。
【００８５】
Ｗｅ＝２ｍｍ、
高次（４次）の関数：ｘ4 ／（Ｗｅ／２）4 ＋ｙ4 ／ｈ4 ＝１、すなわち、
ｘ4 ＋ｙ4 ／ｈ4 ＝１
とする。ｈを変更し、横軸に電極中心からの距離ｘ、縦軸に電極表面上の電界強度Ｅ及び電極表面の形状をとったグラフを図１７に示す。また、その場合の横軸にｈ／Ｗｅ、縦軸に電界強度割合ΔＥ／Ｅave 、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフを図１８に示す。
【００８６】
図１８から、ΔＥ／Ｅave はｈ／Ｗｅに対して最小値を持つ。ΔＥ／Ｅave の最小値近辺で使用するために、ｈ／Ｗｅの適正範囲を定める。ｈ／Ｗｅの適正範囲は、レーザ出力エネルギ、放電幅から決定する。
【００８７】
（１）の場合と同様に、レーザ出力エネルギの有効範囲を、最大レーザ出力エネルギの９０％より大きい範囲とし、放電幅Ｗｄの有効範囲を、Ｗｅ＋０．３ｍｍより小さい範囲とする。
【００８８】
以上の基準を満たす範囲ｈ／Ｗｅの適正範囲は、図１８より、
０．２≦ｈ／Ｗｅ≦０．６８ ・・・（７）
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図１８より、従来の４ｋＨｚレーザ装置における電極表面の電界強度分布（ΔＥ／Ｅave ＝３６．９）と比較して、ΔＥ／Ｅave ＜３５％と改善している。
【００８９】
また、これより、Ｗｄ＞Ｗｅとなっている。
【００９０】
（５）電極幅Ｗｅを狭くする。電極曲線部高さは高次（５次）関数数式で示される形状を用いる。
【００９１】
Ｗｅ＝２ｍｍ、
高次（５次）の関数：ｘ5 ／（Ｗｅ／２）5 ＋ｙ5 ／ｈ5 ＝１、すなわち、
ｘ5 ＋ｙ5 ／ｈ5 ＝１
とする。ｈを変更し、横軸に電極中心からの距離ｘ、縦軸に電極表面上の電界強度Ｅ及び電極表面の形状をとったグラフを図１９に示す。また、その場合の横軸にｈ／Ｗｅ、縦軸に電界強度割合ΔＥ／Ｅave 、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフを図２０に示す。
【００９２】
図２０から、ΔＥ／Ｅave はｈ／Ｗｅに対して最小値を持つ。ΔＥ／Ｅave の最小値近辺で使用するために、ｈ／Ｗｅの適正範囲を定める。ｈ／Ｗｅの適正範囲は、レーザ出力エネルギ、放電幅から決定する。
【００９３】
（１）の場合と同様に、レーザ出力エネルギの有効範囲を、最大レーザ出力エネルギの９０％より大きい範囲とし、放電幅Ｗｄの有効範囲を、Ｗｅ＋０．３ｍｍより小さい範囲とする。
【００９４】
以上の基準を満たす範囲ｈ／Ｗｅの適正範囲は、図２０より、
０．２≦ｈ／Ｗｅ≦０．７２ ・・・（８）
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図２０より、従来の４ｋＨｚレーザ装置における電極表面の電界強度分布（ΔＥ／Ｅave ＝３６．９）と比較して、ΔＥ／Ｅave ＜３５％と改善している。
【００９５】
また、これより、Ｗｄ＞Ｗｅとなっている。
【００９６】
以上の（４）、（５）より、高次関数として４次、５次の場合を検討した結果、ｈ／Ｗｅの適正範囲や電界強度分布ΔＥ／Ｅave が略同じである。さらに高次の場合でも、略同じ結果を示す。したがって、４次以上の高次関数については、４次、５次の検討のみで十分である。
【００９７】
（６）電極幅Ｗｅを狭くする。電極曲線部高さは角丸めで示される形状を用いる。
【００９８】
Ｗｅ＝２ｍｍ、
図２１に断面図を示すように、電極１０２の電極幅方向の端部に半径ｒで示される角丸めを付ける。この形状で表される電極曲線部高さｈはｒと同一となる。
【００９９】
ｈを変更し、横軸に電極中心からの距離ｘ、縦軸に電極表面上の電界強度Ｅ及び電極表面の形状をとったグラフを図２２に示す。また、その場合の横軸にｈ／Ｗｅ、縦軸に電界強度割合ΔＥ／Ｅave 、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフを図２３に示す。
【０１００】
図２３から、ΔＥ／Ｅave はｈ／Ｗｅに対して最小値を持つ。ΔＥ／Ｅave の最小値近辺で使用するために、ｈ／Ｗｅの適正範囲を定める。ｈ／Ｗｅの適正範囲は、レーザ出力エネルギ、放電幅から決定する。
【０１０１】
（１）の場合と同様に、レーザ出力エネルギの有効範囲を、最大レーザ出力エネルギの９０％より大きい範囲とし、放電幅Ｗｄの有効範囲を、Ｗｅ＋０．３ｍｍより小さい範囲とする。
【０１０２】
図２３より、従来の４ｋＨｚレーザ装置における電極表面の電界強度分布（ΔＥ／Ｅave ＝３６．９）と比較して、ΔＥ／Ｅave が高くなり、ｈ／Ｗｅの適正範囲として有効な範囲が得られない。
【０１０３】
以上の結果から、繰り返し周波数４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作を可能にするための主放電電極１０２1 、１０２2 の断面形状の具体的な一例として次のようなものが得られる。
【０１０４】
電極幅Ｗｅ 曲線部（楕円数式）高さｈ ｈ／Ｗｅ
２．０ｍｍ ０．３ｍｍ ３／２０
とした際の電極表面における電界強度分布を図２４に示す。
【０１０５】
この具体例における電極表面における電界強度最大値は、２．０×１０6 Ｖ／ｍであり、電極幅内における（電界強度の差）／（電界強度平均値）：ΔＥ／Ｅave ＝９．８％であり、レーザ出力エネルギ（最大レーザ出力エネルギに対する比）は１００％、放電幅は２．１８ｍｍである。
【０１０６】
以上の検討では、電極幅Ｗｅを２ｍｍとして検討したが、電極幅Ｗｅが１０％変化する範囲、すなわち、Ｗｅ＝２ｍｍ±０．２ｍｍの範囲で以上の検討結果は適用できることが分かっている。
【０１０７】
以上より、繰り返し周波数４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作を可能で、電界強度分布が均一な、電極幅Ｗｅ、電極曲線部高さｈからなる電極１０２（１０２1 、１０２2 ）が得られた。電極曲線部高さｈは、断面が楕円数式、双曲線数式、高次関数数式で示される形状を用いた。電極表面における電界強度分布から、電界強度の割合ΔＥ／Ｅave は、ｈ／Ｗｅに対して最小値を持つ。ΔＥ／Ｅave 最小値近辺で使用するため、ｈ／Ｗｅの適正範囲を定めた。ｈ／Ｗｅの適正範囲は、レーザ出力エネルギと放電幅Ｗｄから決まる。
【０１０８】
そのレーザ出力エネルギの有効範囲は、最大レーザ出力エネルギの９０％より大きい範囲である。
【０１０９】
放電幅Ｗｄの有効範囲は、電極幅Ｗｅプラスその１５％より小さい範囲である。
【０１１０】
結果として、ｈ／Ｗｅの適正範囲は、電極表面がとる関数毎に異なる。
【０１１１】
（１）電極曲線部高さが楕円数式で示される形状の場合：
ｈ／Ｗｅの適正範囲
０．１１≦ｈ／Ｗｅ≦０．２７ ・・・（４）
電界強度の割合ΔＥ／Ｅave ：３０％以下
である。
【０１１２】
（２）電極曲線部高さが双曲線数式で示される形状の場合：
ｈ／Ｗｅの適正範囲
０．１２≦ｈ／Ｗｅ≦０．２２ ・・・（５）
電界強度の割合ΔＥ／Ｅave ：３０％以下
である。
【０１１３】
（３）電極曲線部高さが３次関数数式で示される形状の場合：
ｈ／Ｗｅの適正範囲
０．１６≦ｈ／Ｗｅ≦０．４２ ・・・（６）
電界強度の割合ΔＥ／Ｅave ：３５％以下
である。
【０１１４】
（４）電極曲線部高さが４次以上の高次関数数式で示される形状の場合：
ｈ／Ｗｅの適正範囲
０．２≦ｈ／Ｗｅ≦０．６８ ・・・（７）
電界強度の割合ΔＥ／Ｅave ：３５％以下
である。
【０１１５】
電極曲線部高さが楕円数式、双曲線数式で表される形状の場合に、ΔＥ／Ｅave ≦３０％となり、高次関数（（３）、（４））と比較して、より適切な形状を示していると言える。
【０１１６】
同時に、図９を参照にして説明したように、電極の側面部を金属や絶縁体で覆い、電極端部における電界強度を緩和し、放電幅が電極幅より広がる影響を抑制するようにすることで、電極表面電界分布を均一化し、クリアランスレシオの式（１）で与えられる必要流速低減の効果が現れ、さらなる高繰り返し動作が可能となる。
【０１１７】
ところで、以上において、電極幅Ｗｅは、陽極（接地側）１０２1 と陰極１０２2 とで共に等しく、Ｗｅ＝２ｍｍ±０．２ｍｍの範囲としたが、接地側電極１０２1 の電極幅Ｗｅに対して陰極側電極１０２2 の電極幅Ｗｅ’は、Ｗｅ（１−０．２５）≦Ｗｅ’≦Ｗｅの範囲で、上記の検討が有効に適用できることが実験結果より分かっている。
【０１１８】
また、以上の検討においては、陽極１０２1 と陰極１０２2 の表面形状が等しい場合であるが、陽極１０２1 と陰極１０２2 の表面形状が異なる場合であっても、それぞれの電極の形状が上記（１）〜（４）の何れかであり、かつ、その場合のｈ／Ｗｅをそれぞれ上記（１）〜（４）で適正範囲とした範囲にある限り、界強度の割合ΔＥ／Ｅave を３５％以下とすることができる。その場合の一例として、
陽極１０２1 の高さが楕円数式で示され、
電極幅Ｗｅ 曲線部（楕円数式）高さｈ ｈ／Ｗｅ
２．０ｍｍ ０．４ｍｍ ４／２０
陰極１０２2 の高さが双曲線数式で示され、
電極幅Ｗｅ 曲線部（楕円数式）高さｈ ｈ／Ｗｅ
２．０ｍｍ ０．４ｍｍ ４／２０
とした際の電極表面における電界強度分布を図２５に示す。この例における電極表面における電界強度最大値は、２．０×１０6 Ｖ／ｍであり、電極幅内における（電界強度の差）／（電界強度平均値）：ΔＥ／Ｅave ＝１１％であり、レーザ出力エネルギ（最大レーザ出力エネルギに対する比）は９８％、放電幅は２．１２ｍｍである。
【０１１９】
図７を参照にして説明したように、放電電極の寿命の点では、電極端部に電界強度の極めて大きな点が存在したり（図７（ａ））、電極中央部に電界強度の極めて大きな点が存在する（図７（ｂ））と、その箇所が放電開始点となるため、電極の消耗度に不均一性を生じる。上記の（１）〜（４）の条件を満たす表面形状の放電電極では、電界分布が均一化しているため電極が均等に消耗し、放電幅が変化しないので、寿命の点からも有利である。
【０１２０】
次に、さらなる長時間動作における、電極表面の劣化低減、表面形状の変化抑止のための、電極表面コーティング、電極材料選択、さらに、長時間使用時の放電広がりに対する外部電界、外部磁界を印加しての抑制等を以下に説明する。
【０１２１】
まず、電極表面コーティング、電極材料選択について説明する。
【０１２２】
以上説明したように、高繰り返し動作における放電幅制御では、電極の形状が重要であ
る。しかしながら、例えばエキシマレーザを長時間動作させることで電極形状は変動して行く。この変動は、電極の損傷により発生する。電極の損傷としては、レーザガス中のフッ素による化学変化（金属のフッ化）や、放電によるスパッタリングがある。フッ素による化学変化では、フッ化の不均一性による電極表面形状の変動を引き起こす。また、放電によるスパッタリングでは、電極材料の離脱により電極高さが減少し、電極近傍の電界分布が変化する。何れにしても、以上説明した主放電電極の形状を実際に適用するためには、初期の電極形状を維持し、放電幅を設計値通り維持することが重要である。
【０１２３】
電極の初期形状を維持して電極寿命を延伸するためには、特許文献５や特許文献６で提案されているような電極構造が非常に有効である。特許文献５に記載のものは、電極の放電部に誘電体、絶縁体をコーティングするものであり、その誘電体、絶縁体に金属微粒子を混合したものでもよい。誘電体、絶縁体としては、例えばフッ化カルシウム、フッ化ストロンチウム等のフッ化物や酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等のセラミックスが用いられる。特許文献６に記載のものは、レーザガスに含まれるフッ素（ハロゲンガス）と反応し難い物質の膜を電極の放電部に形成するものであり、その膜には、電極の金属よりも硬度が高い物質又は融点が高い物質が用いられる。そのフッ素と反応し難い物質としては、絶縁体あるいは絶縁体と導体との混合物が用いられる。
【０１２４】
すなわち、この電極では、母材を金属とし、この母材をレーザガス中のフッ素による化学変化や、放電によるスパッタリングから保護するために、放電面にフッ素耐性の強いアルミナ等のセラミックス等からなるコーティングを配置している。さらに、電気伝導度を維持するために、セラミックス内に金属が適切に配置されている。この長寿命電極を用いることで、電極は２００億回のレーザショット後にも、略初期の電極形状を維持している。また、長寿命電極の消耗重量は、一般的な金属電極と比べて、１／２０にまで低減できる。
【０１２５】
この長寿命電極は、フッ素による化学変化が起きた後も、その影響を最小限に止めるメカニズムに基づいて製作されている。それは、金属フッ化物が金属母材から離脱しないようにしているからである。電極が消耗してしまうのは、以下のようなメカニズムによる。放電中にフッ素に晒された電極表面ではフッ化が進行する。例えばエキシマレーザを発振するための放電では、放電の温度は数万度にも達し、いかにフッ素耐性の高い材料と言えどもフッ化を免れることはできない。そのような高温の放電中では、フッ素は通常の存在形態であるＦ2 ではなく、エネルギ状態の高いラジカル（Ｆ+ 、Ｆ- 、Ｆ* ）として存在し、非常に高いフッ化能力を持つ。さらに、原子半径が比較的小さいフッ素は、電極部材の表面からたやすく母材内に進入し、表面から数百マイクロメートルの母材内部からフッ化を起こす。上記の長寿命電極ではない通常の電極では、この作用によって母材表面が非常に脆くなり、母材との結合が弱まる。この状態で放電のスパッタリングが起きると、フッ化された部分は電極から剥離してしまう。そこで、上記長寿命電極では、この剥離が起きない構造の電極となっている。例えば強固なフッ化膜を形成、そのフッ化膜が母材金属と緊密に結合する構造を構成しているのである。これにより、電極の放電面形状や、電極母材がフッ素や放電から保護されている。
【０１２６】
この長寿命電極をさらに長寿命化するためには、電極放電面形状の変動をさらに抑制することが有効である。様々な実験結果より、電極表面形状の変動は、以下のような仕組みで起こることが分かっている。
【０１２７】
長寿命電極では、上記のような母材の剥離を起こさないような構造を持っている。しかしながら、剥離を起こさない分、金属はフッ化金属として、母材表面に留まる。一般的にフッ化金属の特徴として、単体金属よりも比重が小さい。例えば、銅単体では比重が８．９に対し、フッ化銅では、比重がおおよそ４である。したがって、電極の劣化が進むにつ
れて金属部分がフッ化されることにより、電極表面は２倍に膨張することになる。この結果、上記のような長寿命電極では、母材表面にフッ化金属の層が形成され、その体積は初期の電極に比べて大きくなる。すなわち、電極が膨張することとなる。図２６にこの膨張の様子を示す。電極の母材１０２Ａにアルミナ等のコーティング層１０２Ｃが設けられ、初期には符号１（実線）で示す電極形状となっているが、長時間動作後に母材１０２Ａ表面にフッ化金属の層が形成され、その体積が膨張することにより、符号２の破線で示す形状に膨張する。長寿命電極では損傷は極めて均一に起こるため、２００億回パルス程度のショット数後では、電極の放電面の変動は小さいが、４００億回パルス以上のショット数では、電極放電面形状変動は無視できないものとなる。そこで、さらにレーザを長い間にわたって安定に動作させるためには、電極表面のこのような膨張を抑制する必要がある。
【０１２８】
さらに、電極母材表面でのフッ化物の厚みを薄く維持することができれば、電極の初期状態が長く維持することとなり、レーザの発振効率の低下も抑制できる。そのための手段を以下に述べる。
【０１２９】
（１）長寿命電極構造の放電面部分に緩衝地帯を設ける：
電極の母材金属がフッ化物に化学変化し、膨張しても、膨張部分を吸収する空間を電極表面のコーティング層１０２Ｃ中に配置することで、電極全体の膨張を抑制することができる。このためには、図２７に示すように、長寿命電極の構造部分である例えば金属微粒子を混合したアルミナ等のセラミックス層１０２Ｃ中に空孔３を配置したものを用いる。この空孔３は数〜数１０マイクロメートルの直径のものである。そのようなコーティング層１０２Ｃの製作法としては、次のような手法を用いる。
【０１３０】
電極母材１０２Ａ上にセラミックスの空孔率の高い溶射を行う。空孔率（ポロシティ）は、電極の母材１０２Ａの比重とそのフッ化したときの比重との差を吸収するように設定する。例えば銅を母材１０２Ａとしたときには、空孔率としては、３０〜７０％が適当になる。
【０１３１】
（２）長寿命電極構造の母材部分の上部に緩衝地帯を設ける：
電極の母材金属がフッ化物に化学変化し、膨張しても、膨張部分を吸収する空間を電極母材１０２Ａ表面近傍に設けることで、電極全体の膨張を抑制することができる。このためには、図２８に示すように、電極母材１０２Ａ部分に空孔４のある母材を用いる。この空孔は、数〜数１０マイクロメートルの直径のものである。そのような母材の製作法としては、次のような手法を用いる。
【０１３２】
２−Ａ．母材金属焼結時に、微小なプラスチック球を混入させて焼結する。焼結時の高温により、プラスチック球は飛び去り空孔４のある金属が完成する。
【０１３３】
２−Ｂ．電極母材１０２Ａ上に、母材材料の空孔率の高い溶射を行う。空孔率（ポロシティ）は、母材１０２Ａの比重とフッ化したときの比重との差を吸収するように設定する。例えば銅を母材１０２Ａとしたときには、空孔率としては、３０〜７０％が適当になる。
【０１３４】
２−Ｃ．上記２−Ａ．と２−Ｂ．とを共に行う。
【０１３５】
（３）長寿命電極構造の母材部分に緩衝材を添加する：
長寿命電極の電極母材１０２Ａ部分（図２６）に、フッ化したときに剥離しやすい金属を混入する。これにより、長寿命電極母材１０２Ａがフッ化していった場合、その混入金属が表面のコーティング層１０２Ｃの微細な孔を通して電極から離脱し、その空いた空間に主材料のフッ化物が膨張でき、長寿命電極全体としての膨張を抑制することができる。
長寿命電極母材を２種類以上の金属からなる合金で製作した場合、主母材として銅、混合材料としては、亜鉛、ニッケル等があげられる。フッ化亜鉛、フッ化ニッケルは、フッ化銅に比較して蒸発しやすく、上記の剥離しやすい金属フッ化物に相当する。具体的な合金としては、真鍮、白銅、洋白銅がよい。混合比は、母材の比重とフッ化したときの比重との差を吸収するように設定する。例えば銅を母材としたときには、混合比としては、３０〜７０％が適当になる。
【０１３６】
（４）長寿命電極の側面に放電抑制部材を配置する：
長寿命電極が劣化したときに、放電幅に影響を与える要因は、上記のような電極放電面形状の変動であるが、さらに電極側面である母材１０２Ａ側面の膨張がある。図２６に示したように、電極膨張が進むと、電極側面も膨張してしまう。これは、電極側面にある程度の放電回り込みが発生し、電極側面からフッ化が進行し、電極幅を広げる作用のためである。そこで、図２９に示すように、長寿命電極側面に、絶縁物若しくは金属導体を添加した絶縁物のコート１０２Ｂを配置する。これにより、電界の緩衝体の役目を持たせる。この絶縁物若しくは金属導体を添加した絶縁物は、単に配置するだけでは効果がない。放電は数マイクロメートルの隙間でも進展し、電極表面温度を上昇させるからである。その結果、金属表面がフッ化し、膨張を起こしてしまう。そのため、この絶縁物若しくは金属導体を添加した絶縁物のコート１０２Ｂは電極に密着し、隙間なく配置しなければならない。コート１０２Ｂの最も密着性が高く効果のある製作方法としては溶射法が適している。
【０１３７】
次に、長時間使用時の放電電極間の放電の広がりに対して、外部電界、外部磁界を印加することでその広がりを抑制する構成を説明する。
【０１３８】
まず、電界制御の実施例について説明する。図３０は、本実施例に係るエキシマレーザ装置の平面図、図３１はそのＡ−Ａ視断面図を示している。なお、以下の説明において、図３１における紙面と垂直な方向を長手方向、長手方向に垂直でガス流の流れる図中左右方向を左右方向、長手方向及びガス流方向に垂直で、図中上下方向を上下方向と言う。
【０１３９】
図３０、図３１において、エキシマレーザ装置１００は、例えばフッ素（Ｆ2 ）、クリプトン（Ｋｒ）、及び、ネオン（Ｎｅ）を含むレーザガスが所定の圧力比で密封されたレーザチャンバ１０１を備えている。レーザチャンバ１０１の内部には、上記のような本発明に基づく放電面形状を持ったアノード１０２1 及びカソード１０２2 からなる主放電電極１０２1 、１０２2 が放電空間１６を挟んで上下方向に対向して配設されている。レーザガスは、主放電電極１０２1 、１０２2 間の主放電３５によって放電空間１６で励起され、長手方向にレーザ光１１を発生する。
【０１４０】
発生したレーザ光１１は、リアウィンドウ９から後方（図３０中左方）に出射し、レーザチャンバ１０１の外部後方に設けられた狭帯域化ユニット２０に入射する。レーザ光１１は、その内部でプリズム２２、２２によってビーム幅を広げられ、グレーティング２３によって発振波長のスペクトル幅を狭帯域化される。狭帯域化されたレーザ光１１は、リアウィンドウ９からレーザチャンバ１０１に再入射し、フロントウィンドウ７及びフロントミラー８から出射する。このとき、レーザチャンバ１０１の前後には、開口部４５を有するスリット４８、４８が配設されている。これにより、発振するレーザ光１１のビーム幅を開口部４５の幅にまで細くし、レーザ光１１の発散角を小さくすることにより、狭帯域化した場合の発振スペクトルがより細くなるようにしている。
【０１４１】
図３１に示すように、レーザチャンバ１０１内部には、レーザガスをレーザチャンバ１０１内部で循環させて放電空間１６に送り込む貫流ファン１４と、放電によって熱を与えられたレーザガスを冷却するための熱交換器１０７とが、それぞれ所定位置に設置されて
いる。このときのレーザガスのガス流３６は矢印で表され、放電空間１６を図中左から右に流れている。放電空間１６に対する図中左側を上流側、右側を下流側とそれぞれ呼ぶ。アノード１０２1 の側方には、銅等でできた棒状の内部導電体２６と、この外周を包囲する誘電体２７とで構成された予備電離電極１８が配設されている。そして、主放電電極１０２1 、１０２2 間の上下方向略中間位置の、ガス流３６に対して上流側及び下流側には、銅等からなる棒状の導電体によって構成された電界制御電極３７、３７が、長手方向に主放電電極１０２1 、１０２2 に略平行に配置されている。
【０１４２】
主放電電極１０２1 、１０２2 の形状変化等により電極間が不平等電界となった場合、主放電の起こる範囲が広くなってしまう。これに対して電界制御電極３７、３７に電圧−ＶＥを印加することにより、図３２に示すように、平等電界に近づけることができる。これにより、主放電の範囲を狭くすることができる。
【０１４３】
さらに、主放電３５の直前にアノード１０２1 と内部導電体２６との間に起きる予備放電１９により放電空間に発生したマイナスの電荷を有している電子は、左右の電界制御電極３７、３７に印加されているマイナスの電界制御電圧（−ＶＥ）によって反発力を受け、放電空間１６の内側へと押し込まれる。これにより、予備放電１９の起きる領域が左右方向に狭まるため、レーザガスが予備電離される範囲も左右方向に狭まる。レーザガスは予備電離された範囲が優先的に主放電３５に寄与するので、これによっても主放電３５の起きる範囲が狭まり、放電空間１６の左右方向における膨張を抑えて主放電の範囲を狭くすることができる。特に、図３３に示すように、幅の狭い主放電電極１０２1 、１０２2 を使用している本発明の場合には、放電空間の幅が広がりやすいので効果が大きい。
【０１４４】
本実施例に係る電界制御電極３７の形状の他の例を示す。図３４は別の形状の例を示す図であり、電界制御電極３７を網状としている。これにより、電界制御電極３７がガス流３６を妨げる度合いが小さくなり、例えば一部の領域で極端にガス流速が低下するようなことがないので、レーザ光１１のパワーや発振周波数を上げることが可能である。さらに、放電空間１６に対して一様に電界制御電圧（−ＶＥ）を印加できるので、主放電３５によって放電空間１６を移動する電子が確実に内側へ押し込められ、放電空間１６をより効率良く狭めることが可能となる。また、カソード１０２2 を出たばかりのところから電子が押し込め力を受けるので、電子がより垂直に近い動きをする。したがって、放電空間１６の形状がより長方形に近づき、ビームプロファイルが整ったものになる。なお、他の応用例として、棒状の細い電界制御電極３７を複数本、主放電電極１０２1 、１０２2 に平行に上下方向に並べるようにしてもよい。また、網状の電極を流速に影響を与えない程度の金属の多孔体としてもよい。この場合、さらに放電空間から発生した音響波の低減効果も期待できる。
【０１４５】
図３５はさらに別の形状の例を示す図であり、電界制御電極３７の断面形状を流線形の、例えば水滴状としている。これにより、電界制御電極３７がガス流３６を妨げる度合いがさらに小さくなり、ガス流速が低下しないので、発振周波数を上げることが可能である。
【０１４６】
図３６はさらに別の形状の例を示す図であり、電界制御電極３７を、棒状の導電体３９の周囲を誘電体チューブ３８で覆った形状とし、導電体３９に電界制御電圧（−ＶＥ）を印加している。これにより、電界制御電極３７と、主放電電極１０２1 、１０２2 や他のレーザチャンバ１０１内の部品との間で寄生放電が起きるようなことがなく、主放電３５が安定する。
【０１４７】
次に、別の実施例について説明する。図３７に、本実施例に係る電極の詳細図を示す。図３７において、外部電源４４と高圧電源１３とは、何れもエキシマレーザ装置１００を
コントロールするレーザコントローラ５４に接続され、その指示に基づいて電圧を印加するようにしている。なお、図３７において予備電離電極は図示を省略する。レーザコントローラ５４は、例えば図示しない加工機からの指令に基づき、レーザ光１１の発振周波数を決定する。そして、レーザコントローラ５４は発振周波数を高圧電源１３に指示し、高圧電源１３は主放電３５を行ってレーザ光１１を発振周波数でパルス発振させている。
【０１４８】
このとき、レーザコントローラ５４は外部電源４４にも指令信号を出力し、電界制御電圧（−ＶＥ）の値を適切な値に定めている。このレーザコントローラ５４は、外部電源４４に出力する指令信号の値を、例えば放電空間１６が大きく広がるような発振周波数であれば強めの電界制御電圧（−ＶＥ）を、さほど広がらない発振周波数であれば弱めの電界制御電圧（−ＶＥ）を、それぞれ印加するようにしている。これにより、常に一定の形状の放電空間１６が得られ、ビームプロファイルが安定する。
【０１４９】
ところで、主放電電極１０２1 、１０２2 は主放電３５を長時間行うにつれて次第に消耗し、電極間の電界が変化しビームプロファイルが変動することが知られている。これを防止するため、主放電３５を行った時間又はパルス放電数に応じて、レーザコントローラ５４から外部電源４４に指令を送り、電界制御電極３７に印加する電界制御電圧（−ＶＥ）を制御することにより放電空間１６の形状を安定化することが可能である。図３８はそのとき制御の概略のフローチャートである。
【０１５０】
あるいは、図３９に概略の制御のフローチャートを示すように、エキシマレーザ装置１００から発振したビームプロファイルをビームプロファイル検出器等で常にモニターし、このビームプロファイルの変動に基づいて電界制御電圧（−ＶＥ）を制御するようにしてもよい。このようにすれば、ビームプロファイルの変動を抑制し、常に安定したビームプロファイルを得ることが可能となる。図中、ＢＰはビームプロファイルを、ＰＥはパルスエネルギを示しており、ビームプロファイルを取得して仕様（スペック）と比較する代わりに、パルスエネルギを取得して規定値と比較するようにしても、同様に常に安定したビームプロファイルを得ることが可能となる。
【０１５１】
ところで、エキシマレーザ装置１００の使用期間中に電界が変化する大きな原因は、アノード１０２1 の放電面の変形によるものである。そのため、図４０に示したように、アノード１０２1 近傍に電界制御電極３７、３７を配置することが望ましい。電界制御電極３７、３７の形状は、上記したように流れに対する抵抗が少なくなるような形状（図３４、図３５）や、電界制御電極３７−カソード１０２2 間に放電が起きないようにセラミックスを溶射したりセラミックスのチューブで覆う（図３６）ことができる。電界制御電極３７、３７の配置は、図４０に示したように、アノード１０２1 の上流と下流に配置する配置が最も効果的であるが、何れか一方に配置するようにしてもよい。
【０１５２】
次に、長時間使用時の放電電極間の放電の広がりに対して、外部磁界を印加することでその広がりを抑制する磁界制御の実施例について説明する。図４１は１実施例に係わる放電励起レーザ装置の電極部の拡大概略図である。図４１において、図示しないレーザチャンバ内には、主放電電極１０２1 と１０２2 が配設され、カソード１０２2 は絶縁体１３２に取着されており、アノード１０２1 はカソード１０２2 に対向して配設されている。また、カソード１０２2 はカソード電線１３３により高電圧回路に接続され、アノード１０２1 はアノード戻り電線１３４により接地（アース）に接続されている。また、主放電電極１０２1 と１０２2 とは永久磁石で構成し、高電圧側と接地側とはそれぞれ異なった極性を持つ磁極で構成され、対向されている。ここでは、高電圧側の電極１０２2 をＮ極、接地側の電極１０２1 をＳ極としている。なお、Ｎ極、Ｓ極の方向は逆でも同等の効果が得られる（この効果は以下も同様であるので記載はしない。）。磁化は、図４４に示したように、強磁性体とコイルの組み合せで行う。その他の構成は図示しないが、従来のレ
ーザ装置と同様である。
【０１５３】
上記構成において、次にこの方式による放電の動作と特徴について説明する。放電によって生成される荷電粒子（イオン、電子）はアノード１０２1 とカソード１０２2 の間に印加された電界（Ｅ）によるクーロン力により電気力線Ｐに沿って移動しながらレーザー活性を持つ励起領域を形成し、レーザの励起を行う。従来はこの電気力線Ｐのみが荷電粒子を拘束する条件となっていたため、この電気力線Ｐの電束密度分布（電気力線の混み具合）が大きい部分では励起する放電電流密度も高く、レーザガスの利得も高くなる。したがって、電極の消耗による電極形状の変化等が起きてこの電気力線Ｐの変化が引き起こされるような場合には、放電方向の電束密度分布が変化を起こす。すなわち、電気力線Ｐの変化がそのまま荷電粒子の移動経路の変化を引き起こし、放電領域の変化、すなわち、レーザビーム形状の変化を引き起こしていた。この変化を抑制するために、本発明では、上述の通り、この電界と平行させて磁界を印加させる構造としている。一般に電界（Ｅ）と磁界（Ｂ）の中に存在する荷電粒子にはローレンツ力が作用する。理想的には、電界の方向と磁界の方向が直線で、かつ、平行で一致している場合には、速度Ｖで移動する荷電粒子（電荷ｑ）には力として磁界に垂直な面内で円運動を行いながら電界の方向に移動し、その軌跡はらせん状になる（いわゆる、サイクロトロン運動）。図４２は一様磁界中の電子及びイオンのら旋運動を示し、図４２（ａ）は側面図を、図４２（ｂ）は平面図を示す。図４２では、Ｂは磁界、ａは電子、ｂはイオン、ｒce、ｒciはそれぞれ電子、イオンの回転の半径を示す。この場合は、荷電粒子は磁力線に拘束され、拡散による放電の拡がりは抑制される。
【０１５４】
いま、仮に電気力線の方向が電極の消耗等で変化し、外側に凸状に変化した場合を考えると、これらは等価的に外向きの電界成分が発生する。この場合には、サイクロトロン運動のらせんの半径が運動方向と電界方向との関係により増減し、図４３に示すように、Ｅ×Ｂ方向にドリフトする（いわゆる、Ｅ×Ｂドリフト）。図４３では、一様な磁界（磁束密度Ｂ）とそれに垂直な一様な磁界Ｅが存在する場合、サイクロトロン運動を行っている荷電粒子は、その旋回運動の過程において、半周期毎にｑＥなる電界による加速と減速を受け、その度毎に速度ｖの増減と、それに伴う旋回半径ｒc の増減が起こる。この結果、粒子は電荷の符号に関係なくベクトル積Ｅ×Ｂの方向に移動運動する。したがって、電界方向と垂直方向に荷電粒子が移動するため、この場合も電気力線の拡がりによる放電の拡がりを抑制することができる。
【０１５５】
図４４は、磁界制御の別の実施例の放電励起レーザ装置の電極部の拡大概略図である。図４４において、電極１０２1 と１０２2 とをニッケル、コバルトあるいは鉄等の強磁性金属、あるいは、これらの合金の強磁性金属で構成して対向して配置する。電極１０２2 のカソードは絶縁体１３２に取着されている。電極１０２1 のアノードは電極１０２2 に対向して配設されている。また、カソード１０２2 はカソード電線１３３により高電圧回路に接続され、アノード１０２1 はアノード戻り電線１３４により接地（アース）に接続されている。アノード１０２1 及びカソード１０２2 の両方端面（Ｒ）の近傍にはコイル１４４が配設されている。コイル１４４には図示しない配線が接続されている。
【０１５６】
上記構成において、その作動について説明する。この場合には、コイル１４４に通電することによりカソード１０２2 及びアノード１０２1 は通電により電磁石を形成し、高電圧側と接地側とはそれぞれ異なった極性を持つ磁極で構成され、対向されている。通電の強度を強くすることにより、電極間に形成される磁界強度が強められ、ビームの安定性がさらに向上する。
【０１５７】
図４５は、磁界制御のさらに別の実施例の放電励起レーザ装置の電極部の拡大概略図である。図４５において、電極１０２1 と１０２2 とは強磁性あるいは常磁性金属で構成し
、かつ、対向して配置し、さらに、アノード１０２1 とカソード１０２2 の下部には当接してニッケル、コバルト及び鉄等の強磁性金属、あるいは、これらの合金よりなる電磁石体１５１、１５２を配置している。また、アノード１０２1 、カソード１０２2 、及び、電磁石体１５１、１５２の両方端面（Ｗ）の近傍にはコイル１４４が配設されている。コイル１４４には図示しない配線が接続されている。
【０１５８】
上記構成において、その作動について説明する。この場合には、コイル１４４に通電することにより電磁石体１５１、１５２は通電により電磁石を形成し、高電圧側と接地側とはそれぞれ異なった極性を持つ磁極になり、対向されている。したがって、アノード１０２1 とカソード１０２2 もそれぞれ異なった極性を持つ磁極になり、かつ、通電の強度を強くすることにより、電極間に形成される磁界強度が強められ、ビームの安定性がさらに向上する。
【０１５９】
ところで、主放電電極１０２1 、１０２2 は長時間放電を行うにつれて次第に消耗し、電極間の電界が変化しビームプロファイルやパルスエネルギのレーザ性能が変動することが知られている。これを防止するため、磁界制御においても電磁石の磁力を制御することによりこのレーザ性能の変化を抑えることができる。その際には、電磁石に流れる電流を制御する。電流の大きさは、上記のレーザ性能をセンサー等で監視しておき、仕様（スペック）を満たすように決定する。図４６はそのとき制御の概略のフローチャートである。図４６に示すように、エキシマレーザ装置１００から発振したビームプロファイル（ＢＰ）あるいはパルスエネルギ（ＰＥ）をビームプロファイル検出器等で常にモニターし、このビームプロファイルの変動に基づいて電磁石に流れる電流を制御するようにする。このようにすれば、ビームプロファイルあるいはパルスエネルギの変動を抑制し、常に安定したビームプロファイル、パルスエネルギを得ることが可能となる。
【０１６０】
ところで、主放電電極１０２1 、１０２2 は主放電３５を長時間行うにつれて次第に消耗し、電極間の電界が変化しビームプロファイルが変動することが知られている。これを防止するため、主放電３５を行った時間又はパルス放電数に応じて、レーザコントローラ５４から外部電源４４に指令を送り、電界制御電極３７に印加する電界制御電圧（−ＶＥ）を制御することにより放電空間１６の形状を安定化することが可能である。図４７はそのとき制御の概略のフローチャートである。図４７に示すように、発振回数に応じてフィードフォアードで電流の大きさを制御するようにしてもよい。
【０１６１】
以上、本発明の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置を主としてエキシマレーザについて説明したが、放電励起のレーザ装置全てについて適用可能であり、特にフッ素レーザについてはエキシマレーザと全く同様に適用可能である。また、本発明は以上の実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１６２】
本発明においては、露光用エキシマレーザ、フッ素分子レーザ等の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置において、放電領域の幅を狭くし、かつ、放電電極が経時的に劣化しても放電幅が変化しないようにすることができ、必要ガス流速の増大及びファンへの投入電力の増大を抑えて、４ｋＨｚ以上のさらなる高繰り返し動作と長時間使用を可能にすることができる。
【符号の説明】
【０１６３】
１…初期の電極形状
２…膨張した電極形状
３…空孔
４…空孔
７…フロントウィンドウ
８…フロントミラー
９…リアウィンドウ
１１…レーザ光
１３…高圧電源
１４…貫流ファン
１６…放電空間
１８…予備電離電極
１９…予備放電
２０…狭帯域化ユニット
２２…プリズム
２３…グレーティング
２６…内部導電体
２７…誘電体
３５…主放電
３６…ガス流
３７…電界制御電極
３８…誘電体チューブ
３９…導電体
４５…開口部
４８…スリット
４４…外部電源
５４…レーザコントローラ
１００…エキシマレーザ装置
１０１…レーザチャンバ
１０２…主放電電極
１０２1 …アノード（主放電電極）
１０２2 …カソード（主放電電極）
１０２Ａ…電極の母材
１０２Ｂ…絶縁物のコート
１０２Ｃ…コーティング層
１０３…高電圧パルス発生装置
１０４…ファン
１０５…狭帯域化モジュール
１０６…出力鏡
１０７…熱交換器
１１０…発振段レーザ（オシレーター）
１１１…レーザチャンバ
１１３…狭帯域化モジュール
１１４…拡大プリズム
１１５…グレーティング（回折格子）
１１６…フロントミラー
１１７、１１７’…電源
１１８…リアミラー
１２０、１２０’…増幅段（アンプ）
１２１… 同期コントローラ
１２２…ウィンドー部材
１２３…穴
１３１…金属
１３２…絶縁体
１３３…カソード電線
１３４…アノード戻り電線
１４４…コイル
１５１、１５２…電磁石体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、レーザガスを封入するレーザチャンバと、そのレーザチャンバ内部に対向して平行に設置された少なくとも一対の細長いアノードとカソードを有する放電電極とを備え、
前記アノード及び前記カソードの放電面形状が、電極長手方向に直交する断面において凸面の曲線形状であり、
接地電位の電極の幅Ｗｅと放電電極間の最小間隔ｇがｇ／Ｗｅ＞３の関係を有し、
前記放電電極間へ４ＫＨｚ以上のパルス繰り返し数で、５０ｍＪ／ｃｍ3 以上の密度の電力を供給する電源を備え、
前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が、楕円、双曲線、又は、次の式で表現される高次関数（ただし、ｈは電極曲線部高さ、ｘは電極の幅方向の位置座標、ｙは電極の凸面方向の座標、Ｎは３以上の整数）の何れかであり、
ｘN ／（Ｗｅ／２）N ＋ｙN ／ｈN ＝１ ・・・（Ａ）
電極幅内において、ΔＥ＝電界強度の差、Ｅave ＝電界強度平均値とし、その割合ΔＥ／Ｅave が３５％以下であることを特徴とする放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項２】
前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が楕円であり、
０．１１≦ｈ／Ｗｅ≦０．２７ ・・・（４）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３０％以下であることを特徴とする請求項１記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項３】
前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が双曲線であり、
０．１２≦ｈ／Ｗｅ≦０．２２ ・・・（５）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３０％以下であることを特徴とする請求項１記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項４】
前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状がＮ＝３の高次関数であり、
０．１６≦ｈ／Ｗｅ≦０．４２ ・・・（６）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３５％以下であることを特徴とする請求項１記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項５】
前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状がＮ≧４の高次関数であり、
０．２≦ｈ／Ｗｅ≦０．６８ ・・・（７）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３５％以下であることを特徴とする請求項１記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項６】
前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記コーティング層中に空孔が配置されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項７】
前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の表面近傍に空孔が配置されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項８】
前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属
微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の金属としてフッ化したときに前記母材から剥離しやすい金属が混入されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項９】
前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の側面に絶縁物若しくは金属導体を添加した絶縁物のコートが設けられていることを特徴とする請求項１から８の何れか１項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項１０】
前記アノードと前記カソードの間に形成される放電空間の側方に、前記放電電極と長手方向に略平行に電界制御電極を配置したことを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項１１】
前記電界制御電極に印加する電界制御電圧を、レーザ光の発振条件又は履歴に応じて変化させることを特徴とする請求項１０記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項１２】
前記放電電極の放電方向に略平行な磁力線を持つ磁界を前記放電電極間の放電空間に発生する永久磁石を有することを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項１３】
前記放電電極の放電方向に略平行な磁力線を持つ磁界を前記放電電極間の放電空間に発生する電磁石を有することを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項１４】
前記電磁石に流す電流を、レーザ光の発振条件又は履歴に応じて変化させることを特徴とする請求項１３記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項１】
少なくとも、レーザガスを封入するレーザチャンバと、そのレーザチャンバ内部に対向して平行に設置された少なくとも一対の細長いアノードとカソードを有する放電電極とを備え、
前記アノード及び前記カソードの放電面形状が、電極長手方向に直交する断面において凸面の曲線形状であり、
接地電位の電極の幅Ｗｅと放電電極間の最小間隔ｇがｇ／Ｗｅ＞３の関係を有し、
前記放電電極間へ４ＫＨｚ以上のパルス繰り返し数で、５０ｍＪ／ｃｍ3 以上の密度の電力を供給する電源を備え、
前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が、楕円、双曲線、又は、次の式で表現される高次関数（ただし、ｈは電極曲線部高さ、ｘは電極の幅方向の位置座標、ｙは電極の凸面方向の座標、Ｎは３以上の整数）の何れかであり、
ｘN ／（Ｗｅ／２）N ＋ｙN ／ｈN ＝１ ・・・（Ａ）
電極幅内において、ΔＥ＝電界強度の差、Ｅave ＝電界強度平均値とし、その割合ΔＥ／Ｅave が３５％以下であることを特徴とする放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項２】
前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が楕円であり、
０．１１≦ｈ／Ｗｅ≦０．２７ ・・・（４）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３０％以下であることを特徴とする請求項１記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項３】
前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が双曲線であり、
０．１２≦ｈ／Ｗｅ≦０．２２ ・・・（５）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３０％以下であることを特徴とする請求項１記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項４】
前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状がＮ＝３の高次関数であり、
０．１６≦ｈ／Ｗｅ≦０．４２ ・・・（６）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３５％以下であることを特徴とする請求項１記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項５】
前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状がＮ≧４の高次関数であり、
０．２≦ｈ／Ｗｅ≦０．６８ ・・・（７）
の関係を満たし、ΔＥ／Ｅave が３５％以下であることを特徴とする請求項１記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項６】
前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記コーティング層中に空孔が配置されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項７】
前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の表面近傍に空孔が配置されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項８】
前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属
微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の金属としてフッ化したときに前記母材から剥離しやすい金属が混入されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項９】
前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の側面に絶縁物若しくは金属導体を添加した絶縁物のコートが設けられていることを特徴とする請求項１から８の何れか１項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項１０】
前記アノードと前記カソードの間に形成される放電空間の側方に、前記放電電極と長手方向に略平行に電界制御電極を配置したことを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項１１】
前記電界制御電極に印加する電界制御電圧を、レーザ光の発振条件又は履歴に応じて変化させることを特徴とする請求項１０記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項１２】
前記放電電極の放電方向に略平行な磁力線を持つ磁界を前記放電電極間の放電空間に発生する永久磁石を有することを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項１３】
前記放電電極の放電方向に略平行な磁力線を持つ磁界を前記放電電極間の放電空間に発生する電磁石を有することを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項１４】
前記電磁石に流す電流を、レーザ光の発振条件又は履歴に応じて変化させることを特徴とする請求項１３記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【公開番号】特開２０１２−９８９２（Ｐ２０１２−９８９２Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９２２９５（Ｐ２０１１−１９２２９５）
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【分割の表示】特願２００５−２９０８６７（Ｐ２００５−２９０８６７）の分割
【原出願日】平成１７年１０月４日（２００５．１０．４）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【分割の表示】特願２００５−２９０８６７（Ｐ２００５−２９０８６７）の分割
【原出願日】平成１７年１０月４日（２００５．１０．４）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
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