قياس الإشعاع فوق البنفسجي الفراغي (VUV) بطول موجي 172 nm الصادر عن مصابيح الإكسيمر الزينوني

تُصدر مصابيح الإكسيمر الزينوني إشعاعاً في نطاق ضيّق ضمن الأشعة فوق البنفسجية الفراغية عند طول موجي يبلغ نحو 172 nm. ويختلف قياس هذا الإشعاع اختلافاً جوهرياً عن القياس الإشعاعي التقليدي للأشعة UVA أو UVB أو UVC، وذلك لأن الأشعة فوق البنفسجية الفراغية (VUV) تُمتص بشدة عبر مسارات هوائية قصيرة جداً. لذلك تصبح مسافة القياس، والوسط المحيط، ومادة النافذة والكاشف، وهندسة المعايرة جزءاً لا يتجزأ من نتيجة القياس.

تصف هذه الصفحة أوجه الاختلاف عند 172 nm وكيفية إعداد قياس موثوق. وتُذكر البيانات الفنية للأجهزة في صفحات المنتجات الخاصة بكل منها.

يحمل الفوتون عند 172 nm طاقة تبلغ نحو 7.2 eV. وهذا يكفي لكسر روابط C–C وC–H وC–O مباشرةً. لذلك يؤثر الإشعاع في الجزيئات فوراً وليس، كما هو الحال عند 254 nm، عن طريق الامتصاص في الأحماض النووية: فإشعاع 172 nm ذو طبيعة كيميائية ضوئية في الأساس، بينما إشعاع 254 nm ذو طبيعة بيولوجية ضوئية في الأساس. ولا يلزم أي مبادئ ضوئي (فوتومبادر).

الخاصية الثانية المحدِّدة هي الامتصاص القوي في الهواء. يمتص الأكسجين الجزيئي بقوة شديدة حول 172 nm بحيث إن مسافة هواء لا تتجاوز بضعة مليمترات تُضعف الإشعاع بشكل ملحوظ؛ وعلى مسافات أطول لا يصل عملياً أي شيء إلى الهدف. تعمل الطاقة الممتصّة على تفكيك جزيئات الأكسجين، بحيث يتشكّل الأكسجين الذرّي والأوزون في مسار الحزمة ويؤديان فعلاً كيميائياً مستقلاً بذاته.

وما يبدو عائقاً في القياس هو بالضبط الفائدة في العملية: فالمدى القصير والأنواع الفعّالة المتشكّلة في مسار الحزمة هما اللذان يجعلان التنظيف الدقيق الجاف وتنشيط الأسطح ممكنَين.

يقارن الشكل أدناه طيف Xe₂* المتصل بالطيف الخطي المقاس لمصباح زئبقي منخفض الضغط. الطيف المتصل هو نموذج يتمركز عند 172 nm بعرض كامل عند نصف الذروة (FWHM) يبلغ 14 nm؛ ولا تحتوي قاعدة البيانات الطيفية على قياس لمجال الأشعة فوق البنفسجية الفراغية (VUV) نفسه.

يحدث التهييج في تفريغ حاجز عازل (DBD): يوجد الزينون عند ضغط قريب من الضغط الجوي في فجوة بضعة ملليمترات بين أقطاب كهربائية مغطاة بالكوارتز أو الزجاج أو السيراميك، ويُشغَّل بجهد عالٍ في نطاق الكيلوهرتز. لا يكون التفريغ بلازما مستقرة بل عددًا كبيرًا من التفريغات الدقيقة قصيرة العمر تستمر من بضعة إلى عدة مئات من النانوثانية، والتي تملأ حجم الغاز بسرعة. تحدّ المادة العازلة من التيار، وتُنهي كل تفريغ دقيق من تلقاء نفسها، وتمنع الانتقال إلى قوس حراري - ويبقى الغاز عند درجة حرارة الوسط المحيط (Falkenstein, Ushio).

في الغاز، يُنتج الاصطدام الإلكتروني أولاً ذرات زينون مثارة. وفي تفاعل ثلاثي الأجسام مع ذرتي زينون في الحالة الأرضية، تتشكّل هذه الجزيئة الإكسايمر Xe₂*. ولأن قناة التشكّل هذه هي تصادم ثلاثي الأجسام، فإن الضغط التشغيلي العالي القريب من الضغط الجوي ضروري أساسًا لهذا السبب.

النقطة الحاسمة هي الحالة الأرضية للثنائي: فهي تنافرية، أو مرتبطة بضعف شديد فقط، وبالتالي غير مستقرة حراريًا. تتفكك الجزيئة فورًا بعد الانبعاث، وبذلك لا يوجد ماصّ لإشعاعها الخاص. والنتيجة هي طيف مستمر حول 172 nm، خالٍ من الامتصاص الذاتي، بعرض كامل عند نصف القيمة العظمى (FWHM) يبلغ نحو 14 nm (Fraunhofer IFAM، بالألمانية). وهذه بالتحديد نقطة الاختلاف عن مصباح الزئبق، الذي يُعاد امتصاص خطوطه الرنينية مرارًا في البلازما، وبالتالي يعتمد ناتجه على درجة حرارة الجدار.

تنبثق الخصائص العملية من هذه الفيزياء: يُحوَّل ما يصل إلى 40 % من القدرة الكهربائية إلى إشعاع VUV قابل للاستخدام، ويكون مجال الإشعاع متجانسًا جدًا، وبالكاد تسخن الأجزاء المُشعَّعة، ويمكن تشغيل المصباح وإطفاؤه فورًا دون مرحلة إحماء، ويعمل خاليًا من الزئبق.

مبدأ الإثارة أقدم من مصباح بخار الزئبق. في عام 1855 نشر Theodose du Moncel تقريراً عن ترتيب إلكترودات مستوٍ مغطّى بالزجاج ومفصول بفجوة غازية صغيرة؛ وفي عام 1857 وصف Werner von Siemens مولّد الأوزون الأسطواني بإلكترودات من رقائق القصدير والزجاج كعازل كهربائي – أي التفريغ الحاجزي العازل في الشكل الذي لا يزال شائعاً حتى اليوم (مراجعة لتاريخ الـ DBD).

استُخدم الانبعاث الإكسيمري من الغازات النبيلة في البداية في تقنية الليزر في عقدي 1970 و1980. ولم يظهر المصباح الإكسيمري كمصدر قائم بذاته إلا عندما أرسى Ulrich Kogelschatz وBaldur Eliasson الـ DBD كوسيلة فعّالة لإثارة مصادر إكسيمرية غير متّسقة. وقد ظهرت مصابيح الزينون الإكسيمرية الصناعية بطول موجي 172 nm في عقد 1990 وسرعان ما وجدت طريقها إلى تنظيف أشباه الموصلات وتنشيط الأسطح.

التسلسل الزمني جدير بالملاحظة: فالمبدأ يعود إلى منتصف القرن 19، بينما يبدأ الاستخدام الصناعي كمصدر إشعاع لعمليات الأسطح بعد نحو 140 عاماً.

الاستخدام الأكثر انتشاراً هو التنظيف الدقيق الجاف للأسطح: يتم تفكيك الهيدروكربونات ضوئياً وأكسدتها إلى ثاني أكسيد الكربون والماء بواسطة الأكسجين الذرّي والأوزون المتكوّنين في مسار الشعاع – دون مذيبات ودون تأثير ميكانيكي. ويرتبط بذلك مباشرةً تنشيط السطح قبل عمليات اللصق والطلاء ولحام الأسلاك والتغليف، بما في ذلك تنشيط البوليمرات؛ ويتم ذلك ضمن خط الإنتاج أو كعملية تشغيل دفعي، في الهواء أو في جو من النيتروجين.

في تصنيع أشباه الموصلات والإلكترونيات، يُستخدم الإشعاع بطول موجي 172 nm لتنظيف الرقاقات (الويفر) والأقنعة، وإزالة بقايا المادة الحساسة للضوء (الفوتوريزيست) والمواد الممتزّة، وتحسين خصائص الترطيب؛ وتنشأ مهام مماثلة في تصنيع المكوّنات البصرية الدقيقة وفي تقنية الشاشات. كما يمكن كيميائياً-ضوئياً تكوين طبقات عند درجة حرارة منخفضة، مثل الطبقات الحاجزة من SiOₓ المصنوعة من بولي سيلازانات. وفي معالجة المياه وهواء العادم، يُستخدم الإشعاع فوق البنفسجي الفراغي (VUV) لتوليد جذور الهيدروكسيل (OH).

ما تتشارك فيه جميع التطبيقات هو اعتمادها على المسافة والجو المحيط. ولأن الامتصاص في الهواء يحدّ من مسافة العمل القابلة للاستخدام إلى بضعة ملليمترات، فإن هندسة العملية، والتطهير بالغاز، وزمن التشعيع ليست شروطاً حدّية فحسب، بل هي فعلياً معاملات العملية الأساسية – ولهذا السبب بالضبط يجب قياسها وتوثيقها أيضاً.

يمتص الأكسجين بشدة حول الطول الموجي 172 nm. فمسار هوائي لا يتجاوز بضعة ملليمترات يُضعف الإشعاع بشكل ملحوظ؛ وعلى مسافات أطول لا يكاد يصل شيء إلى الكاشف عملياً. تُفكك الطاقة الممتصة جزيئات الأكسجين، ولذلك يتشكّل الأوزون أيضاً على طول مسار الشعاع، وهو ما يمتص بدوره في نطاق UVC ويغيّر الظروف مع مرور الوقت.

والنتيجة العملية هي: لا يكون قياس 172 nm قابلاً للتكرار إلا إذا كانت المسافة والغلاف الجوي على طول مسار الشعاع محدَّدين ومُوثَّقين. ومن الشائع استخدام مسافات قياس قصيرة جداً، أو تنقية بالنيتروجين، أو إعداد مُفرَّغ من الهواء. وعند 172 nm، لا يمكن تفسير أي قراءة دون تحديد المسافة والغلاف الجوي.

• الغلاف الجوي في مسار الحزمة. يؤدي الهواء أو النيتروجين المُنقّى أو التفريغ إلى قراءات مختلفة بوضوح. يجب إدراج معدل التنقية وتركيز الأكسجين المتبقي في سجل القياس.
• مسافة القياس. بسبب الامتصاص القوي، تكون المسافة أكثر أهمية بكثير مما يوحي به قانون التربيع العكسي وحده. يجب أن تشير المسافة إلى مستوى العملية الفعلي.
• مادة النافذة. يمتص السيليكا المنصهرة العادية بشدة بالفعل عند 172 nm. تُستخدم بدلاً منها مواد ذات نفاذية كافية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية الفراغية، مثل فلوريد المغنيسيوم أو فلوريد الكالسيوم؛ أما السيليكا المنصهرة الاصطناعية عالية النقاء فتصل نفاذيتها إلى حوالي 160 nm فقط.
• الكاشف والتقادم. تتجنّب الكاشفات العمياء شمسياً الحساسية المتقاطعة تجاه الأطوال الموجية الأطول. تتقادم النوافذ والكاشفات تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية الفراغية، لذا يُنصح باعتماد فترات قصيرة لإعادة المعايرة.
• التلوّث. تتحلل الرواسب العضوية على النوافذ بفعالية خاصة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية الفراغية، لكنها تغيّر النفاذية إلى أن يحدث ذلك. يجب أن تُدرَج حالة التنظيف وساعات التشغيل في التقييم.

من أجل الحصول على قياس موثوق، يجب تحديد المسار الكامل من المصدر إلى الكاشف: المسافة، والوسط المحيط، والفتحات، ومادة النافذة، ونوع الكاشف. يُعدّ هذا التحديد جزءاً من إجراء القياس ويجب إعادة إنتاجه في كل تكرار، وإلا فإن القيم لا تكون قابلة للمقارنة.

تُعدّ إمكانية الإرجاع المترولوجي في نطاق VUV أكثر تطلّباً منها في نطاق UVA أو UVC. وإذا كان من المُراد الاعتماد على قراءات VUV في عملية ما، يُنصح بإجراء قياس تعاقدي ضمن ظروف محدَّدة في مختبر الأشعة فوق البنفسجية؛ ويجري وصف المعايرة وإمكانية الإرجاع المترولوجي من قِبَل مختبر المعايرة المعتمَد.

لقياس الجرعة الإشعاعية عند مصادر الإكسيمر بالزينون، يتوفّر جهاز tinyTracker 172 nm؛ حيث يسجّل التعرّض الإشعاعي مباشرةً عند مستوى العملية. أمّا بالنسبة للمسائل الطيفية خارج نطاق VUV، فإنّ جهاز SR900 مناسب للاستخدام في المختبر، رغم أنّه لا يغطّي نطاق VUV حول 172 nm.

من المجالات النموذجية للتشعيع عند 172 nm وقياسه: تنظيف الأسطح وتفعيلها، وتصنيع أشباه الموصلات والإلكترونيات، وإنتاج المكوّنات البصرية الدقيقة.

د. م. مارك بارافيا هو المدير الإداري لشركة Opsytec Dr. Gröbel GmbH في إتلينغن، ويرأس مختبر المعايرة المعتمَد. وبعد أبحاثه حول تفريغات إكسايمر الزينون النبضية في معهد هندسة الإضاءة بجامعة KIT، ينصبّ تركيزه اليوم على قياس الإشعاع البصري. وهو نائب رئيس لجنة المعايير الألمانية DIN FNL 7 «الإشعاع البصري»، وعضو في مجموعة مشروع DVGW المعنية بالتطهير بالأشعة فوق البنفسجية.