Måling af 172 nm VUV-stråling fra xenon-excimerlamper

Xenon-excimerlamper udsender i et smalt bånd i vakuum-UV omkring 172 nm. Måling af denne stråling adskiller sig grundlæggende fra klassisk UVA-, UVB- eller UVC-radiometri, fordi VUV absorberes kraftigt over meget korte luftstrækninger. Måleafstand, atmosfære, vindues- og detektormateriale samt kalibreringsgeometrien bliver derfor en del af måleresultatet.

Denne side beskriver, hvad der er anderledes ved 172 nm, og hvordan en pålidelig måling opsættes. Tekniske data for instrumenterne findes på de respektive produktsider.

En foton ved 172 nm bærer omkring 7,2 eV. Det er nok til at bryde C–C-, C–H- og C–O-bindinger direkte. Strålingen virker derfor umiddelbart på molekylerne og ikke, som ved 254 nm, gennem absorption i nukleinsyrer: 172 nm er primært fotokemisk, 254 nm primært fotobiologisk. Der er ikke brug for nogen fotoinitiator.

Den anden afgørende egenskab er den stærke absorption i luft. Molekylært ilt absorberer så stærkt omkring 172 nm, at en luftvej på blot nogle få millimeter dæmper strålingen mærkbart; over længere afstande når stort set intet frem til målet. Den absorberede energi splitter iltmolekylerne, så atomart ilt og ozon dannes i strålegangen og virker kemisk i egen ret.

Hvad der i målingen fremstår som en forhindring, er fordelen i processen: det er netop den korte rækkevidde og de reaktive forbindelser, der dannes i strålegangen, som gør tør finrensning og overfladeaktivering mulig.

Figuren nedenfor sammenligner Xe₂*-kontinuummet med det målte linjespektrum fra en lavtrykskviksølvlampe. Kontinuummet er en model centreret ved 172 nm med en halvværdibredde på 14 nm; spektraldatabasen indeholder ingen måling for selve VUV-området.

Excitationen sker i en dielektrisk barriereudladning (DBD): xenon ved næsten atmosfærisk tryk befinder sig i en spalte på få millimeter mellem elektroder, der er belagt med kvarts, glas eller keramik, og som drives med højspænding i kilohertz-området. Udladningen er ikke et stabilt plasma, men et stort antal kortvarige mikroudladninger, der varer fra få til flere hundrede nanosekunder og hurtigt fylder gasvolumenet. Dielektrikummet begrænser strømmen, afslutter hver mikroudladning af sig selv og forhindrer overgangen til en termisk lysbue – gassen forbliver ved omgivelsestemperatur (Falkenstein, Ushio).

I gassen fremkalder elektronstød først excitererede xenonatomer. I en tre-legeme-reaktion med to xenonatomer i grundtilstand danner disse eksimeren Xe₂*. Fordi denne dannelseskanal er et tre-legeme-sammenstød, er det høje driftstryk tæt på atmosfærisk tryk nødvendigt i første omgang.

Det afgørende punkt er dimerens grundtilstand: den er repulsiv, eller kun meget svagt bundet, og derfor termisk ustabil. Molekylet dissocierer umiddelbart efter emissionen, så der findes ingen absorber for dets egen stråling. Resultatet er et kontinuum omkring 172 nm, frit for selvabsorption, med en fuld halvværdibredde på ca. 14 nm (Fraunhofer IFAM, på tysk). Dette er netop det punkt, hvor den skiller sig fra kviksilverlampen, hvis resonanslinjer gentagne gange genabsorberes i plasmaet, og hvis output derfor afhænger af vægtemperaturen.

De praktiske egenskaber følger af denne fysik: op til 40 % af den elektriske effekt omdannes til brugbar VUV-stråling, strålingsfeltet er meget homogent, de bestrålede dele opvarmes stort set ikke, lampen kan tændes og slukkes øjeblikkeligt uden opvarmningsfase, og den drives kviksilverfrit.

Excitationsprincippet er ældre end kviksølvdamplampen. I 1855 rapporterede Theodose du Moncel om en plan elektrodeopstilling belagt med glas og separeret af et lille gasmellemrum; i 1857 beskrev Werner von Siemens den cylindriske ozongenerator med tinfolieelektroder og glas som dielektrikum – den dielektriske barriereudladning i den form, der stadig er almindelig i dag (gennemgang af DBD's historie).

Excimeremission fra ædelgasser blev oprindeligt anvendt i lasertekniken i 1970'erne og 1980'erne. Først da Ulrich Kogelschatz og Baldur Eliasson etablerede DBD'en som en effektiv måde at excitere inkohærente excimerkilder, opstod excimerlampen som en selvstændig kilde. Industrielle 172 nm xenon-excimerlamper dukkede op i 1990'erne og fandt hurtigt vej til halvlederrensning og overfladeaktivering.

Kronologien er bemærkelsesværdig: princippet stammer fra midten af det 19. århundrede, mens industriel anvendelse som strålingskilde til overfladeprocesser først begynder omkring 140 år senere.

Den mest udbredte anvendelse er tør finrensning af overflader: hydrocarboner splittes fotolytisk og oxideres til kuldioxid og vand af den atomare oxygen og ozon, der dannes i strålegangen – uden opløsningsmidler og uden mekanisk påvirkning. Direkte relateret hertil er overfladeaktivering før limning, lakering, wirebonding og coating, herunder aktivering af polymerer; det udføres in-line eller som batchproces, i luft eller i en nitrogenatmosfære.

Inden for halvleder- og elektronikfremstilling anvendes 172 nm-stråling til rensning af wafere og masker, til fjernelse af photoresist- og adsorbatrester og til forbedring af fugtning; lignende opgaver forekommer i fremstillingen af præcisionsoptiske komponenter og inden for displayteknologi. Fotokemisk kan der desuden dannes lag ved lav temperatur, for eksempel SiOₓ-barrierelag fra polysilazaner. Inden for vandbehandling og afkastluftbehandling anvendes VUV-stråling til at generere OH-radikaler.

Hvad alle anvendelser har til fælles, er deres afhængighed af afstand og atmosfære. Fordi absorption i luft begrænser den anvendelige arbejdsafstand til få millimeter, er procesgeometri, udluftning og bestrålingstid ikke randbetingelser, men de egentlige procesparametre – og netop derfor skal de også måles og dokumenteres.

Ilt absorberer kraftigt omkring 172 nm. En luftvej på blot nogle få millimeter dæmper allerede strålingen mærkbart; over længere afstande når stort set intet frem til detektoren. Den absorberede energi dissocierer iltmolekyler, så der desuden dannes ozon langs strålevejen, hvilket igen absorberer i UVC-området og ændrer forholdene over tid.

Den praktiske konsekvens: en 172 nm-måling er kun reproducerbar, hvis afstanden og atmosfæren langs strålevejen er defineret og dokumenteret. Meget korte måleafstande, en nitrogenskylning eller en evakueret opstilling er almindelige. Ved 172 nm kan en måleværdi uden angivet afstand og atmosfære ikke fortolkes.

• Atmosfære i strålegangen. Luft, gennemskyllet nitrogen eller vakuum fører til tydeligt forskellige aflæsninger. Skyllehastigheden og restiltkoncentrationen hører hjemme i måleprotokollen.
• Måleafstand. På grund af den kraftige absorption betyder afstanden langt mere, end den omvendte kvadratlov alene ville antyde. Afstanden skal referere til det reelle procesplan.
• Vinduesmateriale. Almindelig smeltet kvarts absorberer allerede kraftigt ved 172 nm. I stedet anvendes materialer med tilstrækkelig VUV-transmission, såsom magnesiumfluorid eller calciumfluorid; højrent syntetisk smeltet kvarts kun ned til ca. 160 nm.
• Detektor og ældning. Solar-blinde detektorer undgår krydsfølsomhed over for længere bølgelængder. Vinduer og detektorer ældes under VUV-belastning, så korte rekalibreringsintervaller anbefales.
• Kontaminering. Organiske aflejringer på vinduer nedbrydes særligt effektivt i VUV, men indtil da ændrer de transmissionen. Rengøringstilstand og driftstimer hører hjemme i vurderingen.

For en pålidelig måling defineres hele vejen fra kilde til detektor: afstand, atmosfære, blændeåbninger, vinduesmateriale og detektortype. Denne definition er en del af måleproceduren og skal reproduceres ved hver gentagelse, ellers er værdierne ikke sammenlignelige.

Metrologisk sporbarhed inden for VUV er mere krævende end i UVA- eller UVC-området. Hvis en proces skal basere sig på VUV-målinger, anbefales en kontraktmåling under definerede betingelser i UV-laboratoriet; kalibrering og metrologisk sporbarhed er beskrevet af det akkrediterede kalibreringslaboratorium.

Til dosismåling ved xenon-excimerkilder er tinyTracker 172 nm tilgængelig; den registrerer stråleeksponeringen direkte i procesplanet. Til spektrale spørgsmål uden for VUV er SR900 velegnet i laboratoriet, selvom den ikke dækker VUV-området omkring 172 nm.

Typiske anvendelsesområder for 172 nm-bestråling og dens måling er overfladerensning og aktivering, halvleder- og elektronikfremstilling samt produktion af optiske præcisionskomponenter.

Dr.-Ing. Mark Paravia er administrerende direktør for Opsytec Dr. Gröbel GmbH i Ettlingen og leder det akkrediterede kalibreringslaboratorium. Efter sin forskning i pulsede xenon-excimerudladninger ved Institute of Lighting Technology på KIT er hans fokus i dag optisk strålingsmåling. Han er næstformand for DIN-standardiseringsudvalget FNL 7 "Optical radiation" og medlem af DVGW's projektgruppe om UV-desinfektion.