Měření VUV záření 172 nm z xenonových excimerových výbojek

Xenonové excimerové výbojky vyzařují v úzkém pásmu ve vakuovém UV kolem 172 nm. Měření tohoto záření se zásadně liší od klasické radiometrie UVA, UVB nebo UVC, protože VUV záření je silně absorbováno již na velmi krátkých drahách ve vzduchu. Měřicí vzdálenost, atmosféra, materiál okénka a detektoru a kalibrační geometrie se tak stávají součástí výsledku měření.

Tato stránka popisuje, co je při 172 nm odlišné a jak se nastavuje spolehlivé měření. Technické údaje k přístrojům naleznete na příslušných stránkách produktů.

Foton o vlnové délce 172 nm nese asi 7,2 eV. To stačí k přímému rozštěpení vazeb C–C, C–H a C–O. Záření tedy působí na molekuly bezprostředně, a nikoli, jako u 254 nm, prostřednictvím absorpce v nukleových kyselinách: 172 nm je primárně fotochemické, 254 nm primárně fotobiologické. Fotoiniciátor není potřeba.

Druhou určující vlastností je silná absorpce ve vzduchu. Molekulární kyslík absorbuje kolem 172 nm tak silně, že vzduchová dráha o délce pouhých několika milimetrů záření znatelně zeslabuje; na delší vzdálenosti se k cíli prakticky nic nedostane. Absorbovaná energie rozštěpí molekuly kyslíku, takže v dráze paprsku vzniká atomární kyslík a ozon, které samy chemicky působí.

Co se při měření jeví jako překážka, je v procesu přínosem: právě krátký dosah a reaktivní částice vznikající v dráze paprsku umožňují suché jemné čištění a aktivaci povrchu.

Obrázek níže porovnává kontinuum Xe₂* s naměřeným čárovým spektrem nízkotlaké rtuťové výbojky. Kontinuum je model se středem na 172 nm a s plnou šířkou v polovině maxima 14 nm; spektrální databáze neobsahuje pro samotnou oblast VUV žádné měření.

K excitaci dochází v dielektrickém bariérovém výboji (DBD): xenon při tlaku blízkém atmosférickému se nachází ve štěrbině o šířce několika milimetrů mezi elektrodami krytými křemenem, sklem nebo keramikou, buzenými vysokým napětím v kilohertzovém rozsahu. Výboj není stálým plazmatem, ale velkým množstvím krátkodobých mikrovýbojů trvajících od několika do několika set nanosekund, které rychle vyplní objem plynu. Dielektrikum omezuje proud, samo ukončuje každý mikrovýboj a zabraňuje přechodu do tepelného oblouku – plyn zůstává na okolní teplotě (Falkenstein, Ushio).

V plynu vzniká nejprve nárazem elektronů excitovaný atom xenonu. V třítělesové reakci se dvěma atomy xenonu v základním stavu z něj vzniká excimer Xe₂*. Protože je tento vznikový kanál třítělesovou srážkou, je vysoký provozní tlak blízký atmosférickému tlaku nezbytný již od počátku.

Rozhodujícím bodem je základní stav dimeru: je repulzivní, případně jen velmi slabě vázaný, a tedy tepelně nestabilní. Molekula se rozpadá bezprostředně po emisi, takže pro vlastní záření neexistuje absorbér. Výsledkem je kontinuum kolem 172 nm bez vlastní absorpce, s pološířkou (FWHM) přibližně 14 nm (Fraunhofer IFAM, v němčině). Právě v tomto se liší od rtuťové výbojky, jejíž rezonanční čáry jsou v plazmatu opakovaně reabsorbovány a jejíž výkon proto závisí na teplotě stěny.

Z této fyziky vyplývají praktické vlastnosti: až 40 % elektrického výkonu se přemění na využitelné VUV záření, pole záření je velmi homogenní, ozařované díly se téměř nezahřívají, výbojku lze okamžitě zapnout a vypnout bez fáze zahřívání a provoz je bez rtuti.

Das Anregungsprinzip ist älter als die Quecksilberdampflampe. 1855 berichtete Theodose du Moncel über eine planare, mit Glas abgedeckte Elektrodenanordnung mit kleinem Gasspalt; 1857 beschrieb Werner von Siemens den zylindrischen Ozonerzeuger mit Zinnfolienelektroden und Glas als Dielektrikum – die dielektrisch behinderte Entladung in ihrer bis heute gebräuchlichen Form (Übersicht zur Geschichte der DBD).

Die Excimer-Emission aus Edelgasen wurde zunächst in den 1970er- und 1980er-Jahren lasertechnisch genutzt. Erst als Ulrich Kogelschatz und Baldur Eliasson die DBD als effizienten Anreger für inkohärente Excimerstrahler etablierten, entstand die Excimerlampe als eigenständige Quelle. Industrielle 172-nm-Xenon-Excimer-Strahler erschienen in den 1990er-Jahren und fanden zügig Eingang in Halbleiterreinigung und Oberflächenaktivierung.

Bemerkenswert ist die zeitliche Reihenfolge: Das Prinzip stammt aus der Mitte des 19. Jahrhunderts, die industrielle Nutzung als Strahlungsquelle für Oberflächenprozesse beginnt rund 140 Jahre später.

Nejrozšířenějším použitím je suché jemné čištění povrchů: uhlovodíky jsou fotolyticky rozkládány a oxidovány na oxid uhličitý a vodu působením atomárního kyslíku a ozonu vznikajícího v dráze paprsku – bez rozpouštědel a bez mechanického působení. S tím přímo souvisí aktivace povrchu před lepením, lakováním, drátovým bondováním a povlakováním, včetně aktivace polymerů; provádí se in-line nebo jako dávkový proces, na vzduchu nebo v atmosféře dusíku.

Ve výrobě polovodičů a elektroniky se záření 172 nm využívá k čištění waferů a masek, k odstraňování zbytků fotorezistu a adsorbátů a ke zlepšení vlhčitelnosti; podobné úkoly vznikají při výrobě přesných optických součástí a v technologii displejů. Fotochemicky lze také vytvářet vrstvy při nízké teplotě, například bariérové vrstvy SiOₓ z polysilazanů. Při úpravě vody a odpadního vzduchu se VUV záření využívá k generování OH radikálů.

Společným znakem všech aplikací je jejich závislost na vzdálenosti a atmosféře. Protože absorpce ve vzduchu omezuje využitelnou pracovní vzdálenost na několik milimetrů, nejsou geometrie procesu, proplachování a doba ozařování jen okrajovými podmínkami, ale skutečnými procesními parametry – a právě proto je nutné je také měřit a dokumentovat.

Kyslík silně absorbuje v okolí 172 nm. Vzduchová dráha o délce pouhých několika milimetrů již záření znatelně zeslabuje; na delší vzdálenosti se k detektoru prakticky nic nedostane. Absorbovaná energie disociuje molekuly kyslíku, takže podél dráhy paprsku navíc vzniká ozon, který následně absorbuje v oblasti UVC a v průběhu času mění podmínky měření.

Praktický důsledek: měření při 172 nm je reprodukovatelné pouze tehdy, je-li vzdálenost a atmosféra podél dráhy paprsku definována a zdokumentována. Běžné jsou velmi krátké měřicí vzdálenosti, proplachování dusíkem nebo evakuované uspořádání. Naměřená hodnota při 172 nm bez uvedení vzdálenosti a atmosféry nelze interpretovat.

• Atmosféra v dráze paprsku. Vzduch, proplachovaný dusík nebo vakuum vedou k jasně odlišným hodnotám. Rychlost proplachování a koncentrace zbytkového kyslíku patří do protokolu o měření.
• Měřicí vzdálenost. Vzhledem k silné absorpci má vzdálenost mnohem větší vliv, než by naznačoval pouze zákon převrácených čtverců. Vzdálenost se musí vztahovat na skutečnou procesní rovinu.
• Materiál okénka. Běžný taven křemen již při 172 nm silně absorbuje. Používají se proto materiály s dostatečnou propustností ve VUV oblasti, například fluorid hořečnatý nebo fluorid vápenatý; vysoce čistý syntetický taven křemen jen do přibližně 160 nm.
• Detektor a stárnutí. Solar-blind detektory zabraňují křížové citlivosti na delší vlnové délky. Okénka i detektory stárnou vlivem zátěže VUV zářením, proto se doporučují krátké intervaly rekalibrace.
• Znečištění. Organické usazeniny na okénkách se ve VUV oblasti rozkládají zvláště účinně, ale do té doby měnícím způsobem ovlivňují propustnost. Stav vyčištění a počet provozních hodin patří do hodnocení.

Pro spolehlivé měření je definována celá dráha od zdroje k detektoru: vzdálenost, atmosféra, clony, materiál okénka a typ detektoru. Tato definice je součástí měřicího postupu a musí být reprodukována při každém opakování, jinak nejsou hodnoty srovnatelné.

Metrologická návaznost ve VUV oblasti je náročnější než v oblasti UVA nebo UVC. Pokud se má proces spolehnout na hodnoty VUV, je vhodné provést smluvní měření za definovaných podmínek v UV laboratoři; kalibrace a metrologická návaznost jsou popsány akreditovanou kalibrační laboratoří.

Pro měření dávky u xenonových excimerových zdrojů je k dispozici tinyTracker 172 nm, který zaznamenává ozáření přímo v rovině procesu. Pro spektrální otázky mimo VUV oblast je v laboratoři vhodný SR900, i když nepokrývá VUV rozsah okolo 172 nm.

Typickými oblastmi pro ozařování 172 nm a jeho měření jsou čištění a aktivace povrchů, výroba polovodičů a elektroniky a výroba optických přesných komponent.

Dr.-Ing. Mark Paravia je jednatelem společnosti Opsytec Dr. Gröbel GmbH v Ettlingenu a vede akreditovanou kalibrační laboratoř. Po svém výzkumu pulzních xenonových excimerových výbojů na Institutu osvětlovací techniky KIT se dnes zaměřuje na měření optického záření. Je místopředsedou normalizační komise DIN FNL 7 „Optické záření" a členem projektové skupiny DVGW pro UV dezinfekci.