172 nm:n VUV-säteilyn mittaus ksenoniekscimeerilampuista

Ksenoniekscimeerilamput säteilevät kapealla kaistalla tyhjiöultraviolettialueella noin 172 nm:n kohdalla. Tämän säteilyn mittaaminen poikkeaa perustavanlaatuisesti perinteisestä UVA-, UVB- tai UVC-radiometriasta, koska VUV-säteily absorboituu voimakkaasti jo erittäin lyhyillä ilmamatkoilla. Mittausetäisyys, ilmakehä, ikkuna- ja anturimateriaali sekä kalibrointigeometria muodostuvat siten osaksi mittaustulosta.

Tällä sivulla kuvataan, mikä 172 nm:ssä on erilaista ja miten luotettava mittaus toteutetaan. Laitteiden tekniset tiedot löytyvät kunkin tuotteen omalta sivulta.

172 nm:n fotonin energia on noin 7,2 eV. Se riittää katkaisemaan C–C-, C–H- ja C–O-sidokset suoraan. Säteily vaikuttaa siksi molekyyleihin välittömästi, ei kuten 254 nm:n kohdalla nukleiinihappojen absorption kautta: 172 nm on ensisijaisesti fotokemiallista, 254 nm ensisijaisesti fotobiologista. Fotoinitiaattoria ei tarvita.

Toinen määrittävä ominaisuus on voimakas absorptio ilmassa. Molekyylihappi absorboi 172 nm:n alueella niin voimakkaasti, että jo muutaman millimetrin ilmamatka vaimentaa säteilyä huomattavasti; pidemmillä etäisyyksillä kohteeseen ei käytännössä päädy mitään. Absorboitunut energia hajottaa happimolekyylejä, jolloin säteilytiellä muodostuu atomaarista happea ja otsonia, jotka vaikuttavat kemiallisesti omalla tavallaan.

Se, mikä mittauksessa näyttäytyy esteenä, on prosessissa hyöty: juuri lyhyt kantama ja säteilytiellä muodostuvat reaktiiviset lajit mahdollistavat kuivan hienopuhdistuksen ja pinta-aktivoinnin.

Alla oleva kuva vertaa Xe₂*-jatkumoa matalapaineisen elohopealampun mitattuun viivaspektriin. Jatkumo on malli, joka on keskitetty 172 nm:iin ja jonka puoliarvoleveys (FWHM) on 14 nm; spektritietokannassa ei ole mittausta itse VUV-alueelta.

Viritys tapahtuu dielektrisessä estepurkauksessa (DBD): lähes ilmakehän paineessa oleva ksenon sijaitsee muutaman millimetrin raossa kvartsilla, lasilla tai keramiikalla peitettyjen elektrodien välissä, ja sitä ohjataan kilohertsialueen suurjännitteellä. Purkaus ei ole tasainen plasma, vaan suuri joukko lyhytikäisiä mikropurkauksia, jotka kestävät muutamasta satoihin nanosekunteihin ja täyttävät kaasutilavuuden nopeasti. Dielektrikko rajoittaa virtaa, päättää itse kunkin mikropurkauksen ja estää siirtymän lämpöiseen valokaareen – kaasu pysyy ympäristön lämpötilassa (Falkenstein, Ushio).

Kaasussa elektronitörmäys tuottaa ensin viritettyjä ksenonatomeja. Kolmen kappaleen reaktiossa kahden perustilassa olevan ksenonatomin kanssa näistä muodostuu eksimeeri Xe₂*. Koska tämä muodostumiskanava on kolmen kappaleen törmäys, tarvitaan alun perinkin lähes ilmakehän paineen tasoinen korkea käyttöpaine.

Ratkaiseva seikka on dimeerin perustila: se on hylkivä tai vain erittäin heikosti sitoutunut ja siten termisesti epästabiili. Molekyyli hajoaa välittömästi emission jälkeen, jolloin omalle säteilylle ei ole absorboijaa. Tuloksena on jatkuva spektri noin 172 nm:n kohdalla, vapaa itseabsorptiosta, ja sen puoliarvonleveys (FWHM) on noin 14 nm (Fraunhofer IFAM, saksaksi). Juuri tässä kohdassa se poikkeaa elohopealampusta, jonka resonanssiviivat absorboituvat toistuvasti uudelleen plasmassa ja jonka teho riippuu siksi seinämän lämpötilasta.

Käytännön ominaisuudet seuraavat tästä fysiikasta: jopa 40 % sähköisestä tehosta muuttuu käyttökelpoiseksi VUV-säteilyksi, säteilykenttä on erittäin homogeeninen, säteilytettävät osat lämpenevät tuskin lainkaan, lampun voi kytkeä päälle ja pois välittömästi ilman lämpenemisvaihetta, ja se toimii elohopeavapaasti.

Viritysperiaate on vanhempi kuin elohopeahöyrylamppu. Vuonna 1855 Theodose du Moncel raportoi tasomaisesta elektrodijärjestelystä, joka oli peitetty lasilla ja erotettu pienellä kaasuvälillä; vuonna 1857 Werner von Siemens kuvasi sylinterimäisen otsonigeneraattorin, jossa oli tinafolioelektrodit ja lasi dielektrisenä aineena – dielektrinen barrieeripurkaus siinä muodossa, joka on yleinen vielä tänäkin päivänä (katsaus DBD:n historiaan).

Jalokaasujen eksimeeriemissiota käytettiin aluksi laserteknologiassa 1970- ja 1980-luvuilla. Vasta kun Ulrich Kogelschatz ja Baldur Eliasson vakiinnuttivat DBD:n tehokkaaksi tavaksi virittää epäkoherentteja eksimeerilähteitä, eksimeerilamppu nousi itsenäiseksi säteilylähteeksi. Teolliset 172 nm:n ksenon-eksimeerilamput ilmestyivät 1990-luvulla ja löysivät nopeasti tiensä puolijohteiden puhdistukseen ja pintojen aktivointiin.

Aikajärjestys on huomionarvoinen: periaate on 19. vuosisadan puolivälistä, kun taas teollinen käyttö säteilylähteenä pintaprosesseissa alkaa noin 140 vuotta myöhemmin.

Yleisin käyttökohde on pintojen kuiva hienopuhdistus: hiilivedyt hajotetaan fotolyyttisesti ja hapetetaan hiilidioksidiksi ja vedeksi säteilytien atomaarisen hapen ja otsonin avulla – liuottimitta ja mekaanisesti vaikuttamatta. Tähän liittyy suoraan pinnan aktivointi ennen liimausta, maalausta, langan liittämistä ja pinnoitusta, mukaan lukien polymeerien aktivointi; se toteutetaan in-line- tai eräprosessina ilmassa tai typpiatmosfäärissä.

Puolijohde- ja elektroniikkavalmistuksessa 172 nm -säteilyä käytetään kiekkojen ja maskien puhdistukseen, valoresistin ja adsorboituneiden jäämien poistoon sekä kastuvuuden parantamiseen; samankaltaisia tehtäviä esiintyy tarkkuusoptiikan komponenttien valmistuksessa ja näyttöteknologiassa. Fotokemiallisesti voidaan muodostaa kerroksia myös alhaisessa lämpötilassa, esimerkiksi SiOₓ-suojakerroksia polysilatsaaneista. Veden- ja poistoilmankäsittelyssä VUV-säteilyä käytetään OH-radikaalien muodostamiseen.

Kaikille käyttökohteille on yhteistä riippuvuus etäisyydestä ja ympäristön kaasusta. Koska ilman absorptio rajoittaa käytettävän työetäisyyden muutamaan millimetriin, prosessin geometria, huuhtelu ja säteilytysaika eivät ole reunaehtoja vaan varsinaisia prosessiparametreja – ja juuri siksi niitä on myös mitattava ja dokumentoitava.

Happi absorboi voimakkaasti aallonpituudella 172 nm. Vain muutaman millimetrin ilmamatka vaimentaa säteilyä huomattavasti; pidemmillä etäisyyksillä ilmaisimeen ei käytännössä päädy mitään. Absorboitunut energia dissosioi happimolekyylejä, joten säteilyn kulkureitille muodostuu lisäksi otsonia, joka puolestaan absorboi UVC-alueella ja muuttaa olosuhteita ajan myötä.

Käytännön seuraus on, että 172 nm:n mittaus on toistettavissa vain, jos etäisyys ja säteilyn kulkureitin ilmakehä on määritelty ja dokumentoitu. Yleisiä ratkaisuja ovat erittäin lyhyet mittausetäisyydet, typpihuuhtelu tai evakuoitu koejärjestely. Aallonpituudella 172 nm mittaustulosta ei voida tulkita, jos etäisyyttä ja ilmakehää ei ole ilmoitettu.

• Ilmakehä säteilyn kulkureitillä. Ilma, huuhdeltu typpi tai tyhjiö johtavat selvästi erilaisiin lukemiin. Huuhtelunopeus ja jäännöshapen pitoisuus kuuluvat mittauspöytäkirjaan.
• Mittausetäisyys. Voimakkaan absorption vuoksi etäisyydellä on paljon suurempi merkitys kuin pelkkä käänteinen neliölaki antaisi ymmärtää. Etäisyyden on vastattava todellista prosessitasoa.
• Ikkunamateriaali. Tavallinen kvartsilasi absorboi jo voimakkaasti 172 nm:ssä. Sen sijaan käytetään materiaaleja, joilla on riittävä VUV-läpäisy, kuten magnesiumfluoridia tai kalsiumfluoridia; erittäin puhdasta synteettistä kvartsilasia vain noin 160 nm:iin asti.
• Ilmaisin ja vanheneminen. Aurinkosokeat ilmaisimet välttävät ristiherkkyyden pidemmille aallonpituuksille. Ikkunat ja ilmaisimet vanhenevat VUV-kuormituksessa, joten lyhyet uudelleenkalibrointivälit ovat suositeltavia.
• Kontaminaatio. Ikkunoiden orgaaniset kerrostumat hajoavat erityisen tehokkaasti VUV-alueella, mutta siihen asti ne muuttavat läpäisyä. Puhdistustila ja käyttötunnit kuuluvat arviointiin.

Luotettavaa mittausta varten koko reitti lähteestä ilmaisimeen määritellään: etäisyys, ilmakehä, aukot, ikkunamateriaali ja ilmaisintyyppi. Tämä määrittely on osa mittausmenettelyä, ja se on toistettava jokaisella toistokerralla, muutoin arvot eivät ole vertailukelpoisia.

Metrologinen jäljitettävyys VUV-alueella on vaativampaa kuin UVA- tai UVC-alueella. Jos prosessi luottaa VUV-lukemiin, kannattaa teettää sopimusmittaus määritellyissä olosuhteissa UV-laboratoriossa; kalibrointi ja metrologinen jäljitettävyys kuvataan akkreditoidun kalibrointilaboratorion toimesta.

Annosmittaukseen ksenoni-eksimerilähteissä on saatavilla tinyTracker 172 nm; se tallentaa säteilyaltistuksen suoraan prosessitasossa. Spektrikysymyksiin VUV-alueen ulkopuolella SR900 soveltuu laboratoriokäyttöön, vaikkakaan se ei kata VUV-aluetta 172 nm:n ympärillä.

Tyypillisiä 172 nm:n säteilytyksen ja sen mittaamisen käyttöalueita ovat pintojen puhdistus ja aktivointi, puolijohde- ja elektroniikkateollisuus sekä optisten tarkkuuskomponenttien valmistus.

Dr.-Ing. Mark Paravia on Opsytec Dr. Gröbel GmbH:n toimitusjohtaja Ettlingenissä ja johtaa yrityksen akkreditoitua kalibrointilaboratoriota. Tutkittuaan pulssitettuja ksenoni-eksimeeripurkauksia KIT:n valaistustekniikan instituutissa hänen painopisteenään on nykyään optisen säteilyn mittaus. Hän toimii DIN-standardikomitean FNL 7 "Optinen säteily" varapuheenjohtajana ja DVGW:n UV-desinfiointia käsittelevän projektiryhmän jäsenenä.