medición de radiación VUV de 172 nm de lámparas excimer de xenón

Las lámparas excimer de xenón emiten en una banda estrecha del UV de vacío en torno a 172 nm. La medición de esta radiación difiere fundamentalmente de la radiometría clásica UVA, UVB o UVC, ya que el VUV se absorbe fuertemente en trayectos de aire muy cortos. Por ello, la distancia de medición, la atmósfera, el material de la ventana y del detector, así como la geometría de calibración, pasan a formar parte del resultado de la medición.

Esta página describe qué es diferente a 172 nm y cómo se configura una medición fiable. Los datos técnicos de los instrumentos se indican en las respectivas páginas de producto.

Un fotón a 172 nm transporta aproximadamente 7,2 eV. Eso es suficiente para romper directamente los enlaces C–C, C–H y C–O. Por ello, la radiación actúa sobre las moléculas de forma inmediata y no, como a 254 nm, mediante absorción en ácidos nucleicos: los 172 nm son principalmente fotoquímicos, los 254 nm principalmente fotobiológicos. No se requiere fotoiniciador.

La segunda propiedad determinante es la fuerte absorción en el aire. El oxígeno molecular absorbe con tanta intensidad en torno a los 172 nm que un trayecto de aire de solo unos pocos milímetros atenúa notablemente la radiación; en distancias mayores prácticamente nada llega al objetivo. La energía absorbida escinde las moléculas de oxígeno, de modo que se forman oxígeno atómico y ozono en el trayecto del haz y actúan químicamente por sí mismos.

Lo que en la medición parece un obstáculo es la ventaja en el proceso: es precisamente el corto alcance y las especies reactivas formadas en el trayecto del haz lo que hace posible la limpieza fina en seco y la activación de superficies.

La figura siguiente compara el continuo de Xe₂* con el espectro de líneas medido de una lámpara de mercurio de baja presión. El continuo es un modelo centrado en 172 nm con una anchura completa a media altura (FWHM) de 14 nm; la base de datos espectral no contiene ninguna medición para el propio rango VUV.

La excitación tiene lugar en una descarga de barrera dieléctrica (DBD): el xenón a una presión cercana a la atmosférica se encuentra en un espacio de unos pocos milímetros entre electrodos recubiertos de cuarzo, vidrio o cerámica, alimentados con alta tensión en el rango de los kilohercios. La descarga no es un plasma estable, sino un gran número de microdescargas de corta duración, de entre unos pocos y varios cientos de nanosegundos, que llenan rápidamente el volumen de gas. El dieléctrico limita la corriente, termina cada microdescarga por sí mismo e impide la transición a un arco térmico: el gas permanece a temperatura ambiente (Falkenstein, Ushio).

En el gas, el impacto de electrones produce primero átomos de xenón excitados. Mediante una reacción de tres cuerpos con dos átomos de xenón en estado fundamental, estos forman el excímero Xe₂*. Dado que este canal de formación es una colisión de tres cuerpos, se necesita precisamente la alta presión de funcionamiento cercana a la atmosférica.

El punto decisivo es el estado fundamental del dímero: es repulsivo, o está solo muy débilmente enlazado, y por tanto es térmicamente inestable. La molécula se disocia inmediatamente después de la emisión, de modo que no existe absorbente para su propia radiación. El resultado es un continuo en torno a 172 nm, libre de autoabsorción, con una anchura a media altura (FWHM) de unos 14 nm (Fraunhofer IFAM, en alemán). Aquí es exactamente donde se diferencia de la lámpara de mercurio, cuyas líneas de resonancia se reabsorben repetidamente en el plasma y cuya potencia de salida depende, por tanto, de la temperatura de la pared.

De esta física se derivan las propiedades prácticas: hasta un 40 % de la potencia eléctrica se convierte en radiación VUV aprovechable, el campo de radiación es muy homogéneo, las piezas irradiadas apenas se calientan, la lámpara puede encenderse y apagarse instantáneamente sin fase de calentamiento, y funciona sin mercurio.

El principio de excitación es más antiguo que la lámpara de vapor de mercurio. En 1855, Theodose du Moncel informó sobre una disposición de electrodos planos recubiertos de vidrio y separados por un pequeño espacio de gas; en 1857, Werner von Siemens describió el generador de ozono cilíndrico con electrodos de papel de estaño y vidrio como dieléctrico: la descarga de barrera dieléctrica en la forma que sigue siendo habitual hoy en día (revisión de la historia de la DBD).

La emisión excímer de gases nobles se utilizó inicialmente en la tecnología láser en las décadas de 1970 y 1980. Solo cuando Ulrich Kogelschatz y Baldur Eliasson establecieron la DBD como una vía eficiente para excitar fuentes excímer incoherentes, la lámpara excímer surgió como fuente por derecho propio. Las lámparas excímer industriales de xenón de 172 nm aparecieron en la década de 1990 y encontraron rápidamente su camino hacia la limpieza de semiconductores y la activación de superficies.

La cronología es notable: el principio se remonta a mediados del siglo 19, mientras que su uso industrial como fuente de radiación para procesos de superficie comienza unos 140 años más tarde.

El uso más extendido es la limpieza fina en seco de superficies: los hidrocarburos se escinden fotolíticamente y se oxidan a dióxido de carbono y agua mediante el oxígeno atómico y el ozono formados en el trayecto del haz, sin disolventes y sin ataque mecánico. Directamente relacionada está la activación de superficies antes del encolado, pintado, wire bonding y recubrimiento, incluida la activación de polímeros; se realiza en línea o como proceso por lotes, al aire o en atmósfera de nitrógeno.

En la fabricación de semiconductores y electrónica, la radiación de 172 nm se utiliza para la limpieza de obleas y máscaras, para eliminar restos de fotorresina y de adsorbatos y para mejorar la humectación; tareas similares surgen en la producción de componentes ópticos de precisión y en la tecnología de pantallas. Fotoquímicamente, también pueden formarse capas a baja temperatura, por ejemplo capas de barrera de SiOₓ a partir de polisilazanos. En el tratamiento de aguas y de aire de escape, la radiación VUV se utiliza para generar radicales OH.

Lo que todas las aplicaciones tienen en común es su dependencia de la distancia y de la atmósfera. Dado que la absorción en el aire limita la distancia de trabajo utilizable a unos pocos milímetros, la geometría del proceso, la purga y el tiempo de irradiación no son condiciones marco, sino los verdaderos parámetros del proceso, y precisamente por ello también deben medirse y documentarse.

El oxígeno absorbe fuertemente en torno a 172 nm. Un trayecto de aire de solo unos milímetros ya atenúa la radiación de forma notable; a distancias mayores prácticamente no llega nada al detector. La energía absorbida disocia las moléculas de oxígeno, por lo que además se forma ozono a lo largo del trayecto del haz, el cual a su vez absorbe en el UVC y modifica las condiciones con el tiempo.

La consecuencia práctica es que una medición a 172 nm solo es reproducible si la distancia y la atmósfera a lo largo del trayecto del haz están definidas y documentadas. Es habitual recurrir a distancias de medición muy cortas, a una purga con nitrógeno o a un montaje evacuado. A 172 nm, una lectura sin indicar la distancia y la atmósfera no se puede interpretar.

• Atmósfera en la trayectoria del haz. El aire, el nitrógeno de purga o el vacío dan lugar a lecturas claramente distintas. La tasa de purga y la concentración residual de oxígeno deben figurar en el registro de medición.
• Distancia de medición. Debido a la fuerte absorción, la distancia influye mucho más de lo que sugeriría por sí sola la ley del inverso del cuadrado. La distancia debe referirse al plano real del proceso.
• Material de la ventana. La sílice fundida ordinaria ya absorbe fuertemente a 172 nm. En su lugar se emplean materiales con suficiente transmisión en el VUV, como el fluoruro de magnesio o el fluoruro de calcio; la sílice fundida sintética de alta pureza solo hasta unos 160 nm.
• Detector y envejecimiento. Los detectores ciegos a la luz solar evitan la sensibilidad cruzada a longitudes de onda más largas. Las ventanas y los detectores envejecen bajo la carga VUV, por lo que se recomiendan intervalos de recalibración cortos.
• Contaminación. Los depósitos orgánicos en las ventanas se descomponen de forma especialmente eficaz en el VUV, pero hasta entonces alteran la transmisión. El estado de limpieza y las horas de funcionamiento deben incluirse en la evaluación.

Para una medición fiable, se define toda la trayectoria desde la fuente hasta el detector: distancia, atmósfera, aperturas, material de la ventana y tipo de detector. Esta definición forma parte del procedimiento de medición y debe reproducirse en cada repetición; de lo contrario, los valores no son comparables.

La trazabilidad metrológica en el VUV es más exigente que en el rango UVA o UVC. Si un proceso debe basarse en lecturas VUV, es aconsejable realizar una medición por contrato en condiciones definidas en el laboratorio UV; la calibración y la trazabilidad metrológica se describen en el laboratorio de calibración acreditado.

Para la medición de la dosis en fuentes excímero de xenón, está disponible el tinyTracker 172 nm; este registra la exposición radiante directamente en el plano del proceso. Para cuestiones espectrales fuera del VUV, el SR900 resulta adecuado en el laboratorio, aunque no cubre el rango VUV en torno a 172 nm.

Los campos típicos para la irradiación a 172 nm y su medición son la limpieza y activación de superficies, la fabricación de semiconductores y electrónica y la producción de componentes ópticos de precisión.

Dr.-Ing. Mark Paravia es el director general de Opsytec Dr. Gröbel GmbH en Ettlingen y dirige el laboratorio de calibración acreditado. Tras sus investigaciones sobre descargas de excímeros de xenón pulsadas en el Institute of Lighting Technology del KIT, su área de especialización actual es la medición de radiación óptica. Es vicepresidente del comité de normalización DIN FNL 7 «Optical radiation» y miembro del grupo de proyecto de la DVGW sobre desinfección UV.