Mesure du rayonnement VUV à 172 nm des lampes excimères au xénon

Les lampes excimères au xénon émettent dans une bande étroite de l'UV sous vide autour de 172 nm. La mesure de ce rayonnement diffère fondamentalement de la radiométrie classique UVA, UVB ou UVC, car le VUV est fortement absorbé sur de très courtes distances dans l'air. La distance de mesure, l'atmosphère, le matériau de la fenêtre et du détecteur ainsi que la géométrie d'étalonnage font donc partie intégrante du résultat de mesure.

Cette page décrit ce qui diffère à 172 nm et comment mettre en place une mesure fiable. Les caractéristiques techniques des instruments sont indiquées sur les pages produits respectives.

Un photon à 172 nm transporte environ 7,2 eV. Cela suffit à rompre directement les liaisons C–C, C–H et C–O. Le rayonnement agit donc immédiatement sur les molécules et non, comme à 254 nm, par absorption dans les acides nucléiques : à 172 nm, l'action est essentiellement photochimique, à 254 nm essentiellement photobiologique. Aucun photo-initiateur n'est nécessaire.

La deuxième propriété déterminante est la forte absorption dans l'air. L'oxygène moléculaire absorbe si fortement autour de 172 nm qu'un trajet dans l'air de seulement quelques millimètres atténue sensiblement le rayonnement ; sur des distances plus longues, pratiquement rien n'atteint la cible. L'énergie absorbée dissocie les molécules d'oxygène, de sorte que de l'oxygène atomique et de l'ozone se forment dans le trajet du faisceau et agissent chimiquement par eux-mêmes.

Ce qui apparaît comme un obstacle pour la mesure constitue l'avantage du procédé : c'est précisément la faible portée et les espèces réactives formées dans le trajet du faisceau qui rendent possibles le nettoyage fin à sec et l'activation de surface.

La figure ci-dessous compare le continuum du Xe₂* au spectre de raies mesuré d'une lampe à mercure basse pression. Le continuum est un modèle centré à 172 nm avec une largeur à mi-hauteur (FWHM) de 14 nm ; la base de données spectrale ne contient aucune mesure pour le domaine VUV lui-même.

L'excitation a lieu dans une décharge à barrière diélectrique (DBD) : du xénon à une pression proche de la pression atmosphérique se trouve dans un espace de quelques millimètres entre des électrodes recouvertes de quartz, de verre ou de céramique, alimentées par une haute tension dans la gamme des kilohertz. La décharge n'est pas un plasma stable mais un grand nombre de microdécharges de courte durée, allant de quelques à plusieurs centaines de nanosecondes, qui remplissent rapidement le volume de gaz. Le diélectrique limite le courant, met fin de lui-même à chaque microdécharge et empêche la transition vers un arc thermique – le gaz reste à température ambiante (Falkenstein, Ushio).

Dans le gaz, l'impact électronique produit d'abord des atomes de xénon excités. Dans une réaction à trois corps avec deux atomes de xénon à l'état fondamental, ceux-ci forment l'excimère Xe₂*. Comme ce mécanisme de formation est une collision à trois corps, la pression de fonctionnement élevée, proche de la pression atmosphérique, est justement nécessaire.

Le point déterminant est l'état fondamental du dimère : il est répulsif, ou seulement très faiblement lié, et donc thermiquement instable. La molécule se dissocie immédiatement après l'émission, de sorte qu'il n'existe aucun absorbeur pour son propre rayonnement. Il en résulte un continuum autour de 172 nm, exempt d'auto-absorption, avec une largeur à mi-hauteur d'environ 14 nm (Fraunhofer IFAM, en allemand). C'est précisément là que réside la différence avec la lampe à mercure, dont les raies de résonance sont réabsorbées à plusieurs reprises dans le plasma et dont le rendement dépend donc de la température de paroi.

Les propriétés pratiques découlent de cette physique : jusqu'à 40 % de la puissance électrique est convertie en rayonnement VUV utilisable, le champ de rayonnement est très homogène, les pièces irradiées s'échauffent à peine, la lampe peut être allumée et éteinte instantanément sans phase de préchauffage, et elle fonctionne sans mercure.

Le principe d'excitation est plus ancien que la lampe à vapeur de mercure. En 1855, Théodose du Moncel rendait compte d'un agencement d'électrodes planes recouvertes de verre et séparées par un faible espace gazeux ; en 1857, Werner von Siemens décrivait le générateur d'ozone cylindrique à électrodes en feuille d'étain avec du verre comme diélectrique – la décharge à barrière diélectrique sous la forme encore courante aujourd'hui (rétrospective de l'histoire de la DBD).

L'émission excimer des gaz rares a d'abord été utilisée dans la technologie laser au cours des années 1970 et 1980. Ce n'est qu'après qu'Ulrich Kogelschatz et Baldur Eliasson aient établi la DBD comme moyen efficace d'exciter des sources excimer incohérentes que la lampe excimer s'est imposée comme source à part entière. Les lampes excimer industrielles au xénon à 172 nm sont apparues dans les années 1990 et ont rapidement trouvé leur place dans le nettoyage des semi-conducteurs et l'activation de surfaces.

La chronologie est remarquable : le principe date du milieu du 19e siècle, tandis que l'utilisation industrielle comme source de rayonnement pour les procédés de surface ne commence que quelque 140 ans plus tard.

L'utilisation la plus répandue est le nettoyage fin à sec des surfaces : les hydrocarbures sont scindés par photolyse et oxydés en dioxyde de carbone et en eau par l'oxygène atomique et l'ozone formés dans le trajet du faisceau – sans solvants et sans attaque mécanique. L'activation de surface avant collage, peinture, microsoudure par fil et revêtement, y compris l'activation des polymères, y est directement liée ; elle est réalisée en ligne ou en discontinu, à l'air ou sous atmosphère d'azote.

Dans la fabrication de semi-conducteurs et d'électronique, le rayonnement à 172 nm est utilisé pour le nettoyage des plaquettes et des masques, pour l'élimination des résidus de photorésist et d'adsorbats et pour l'amélioration du mouillage ; des tâches similaires se posent dans la production de composants optiques de précision et dans la technologie des écrans. Par voie photochimique, des couches peuvent également être formées à basse température, par exemple des couches barrières de SiOₓ à partir de polysilazanes. Dans le traitement des eaux et de l'air extrait, le rayonnement VUV est utilisé pour générer des radicaux OH.

Toutes les applications ont en commun leur dépendance à la distance et à l'atmosphère. Étant donné que l'absorption dans l'air limite la distance de travail utilisable à quelques millimètres, la géométrie du procédé, la purge et la durée d'irradiation ne sont pas des conditions limites mais les véritables paramètres du procédé – et c'est précisément pour cette raison qu'ils doivent également être mesurés et documentés.

L'oxygène absorbe fortement autour de 172 nm. Un trajet dans l'air de quelques millimètres seulement atténue déjà sensiblement le rayonnement ; sur des distances plus longues, pratiquement rien n'atteint le détecteur. L'énergie absorbée dissocie les molécules d'oxygène, de sorte que de l'ozone se forme en outre le long du trajet optique, lequel absorbe à son tour dans l'UVC et modifie les conditions au fil du temps.

La conséquence pratique : une mesure à 172 nm n'est reproductible que si la distance et l'atmosphère le long du trajet optique sont définies et documentées. Des distances de mesure très courtes, une purge à l'azote ou un montage sous vide sont couramment utilisés. À 172 nm, une valeur mesurée sans indication de la distance et de l'atmosphère ne peut pas être interprétée.

• Atmosphère dans le trajet du faisceau. L'air, l'azote de purge ou le vide conduisent à des résultats nettement différents. Le taux de purge et la concentration résiduelle en oxygène doivent figurer dans le rapport de mesure.
• Distance de mesure. En raison de la forte absorption, la distance joue un rôle bien plus important que ne le suggérerait la seule loi du carré inverse. La distance doit se rapporter au plan réel du procédé.
• Matériau de la fenêtre. La silice fondue ordinaire absorbe déjà fortement à 172 nm. On utilise à la place des matériaux présentant une transmission VUV suffisante, tels que le fluorure de magnésium ou le fluorure de calcium ; la silice fondue synthétique de haute pureté ne convient que jusqu'à environ 160 nm.
• Détecteur et vieillissement. Les détecteurs aveugles au rayonnement solaire évitent la sensibilité croisée aux longueurs d'onde plus grandes. Les fenêtres et les détecteurs vieillissent sous l'effet du rayonnement VUV, c'est pourquoi des intervalles de réétalonnage courts sont recommandés.
• Contamination. Les dépôts organiques sur les fenêtres sont décomposés de manière particulièrement efficace dans le VUV, mais jusque-là, ils modifient la transmission. L'état de propreté et les heures de fonctionnement doivent être pris en compte dans l'évaluation.

Pour une mesure fiable, l'ensemble du trajet de la source au détecteur est défini : distance, atmosphère, ouvertures, matériau de fenêtre et type de détecteur. Cette définition fait partie de la procédure de mesure et doit être reproduite à chaque répétition, sinon les valeurs ne sont pas comparables.

La traçabilité métrologique dans le VUV est plus exigeante que dans le domaine UVA ou UVC. Si un procédé doit s'appuyer sur des relevés VUV, une mesure sous contrat dans des conditions définies au laboratoire UV est recommandée ; l'étalonnage et la traçabilité métrologique sont décrits par le laboratoire d'étalonnage accrédité.

Pour la mesure de dose sur les sources excimères au xénon, le tinyTracker 172 nm est disponible ; il enregistre l'exposition énergétique directement au plan du procédé. Pour les questions spectrales en dehors du VUV, le SR900 convient en laboratoire, bien qu'il ne couvre pas la plage VUV autour de 172 nm.

Les domaines d'application typiques pour l'irradiation à 172 nm et sa mesure sont le nettoyage et l'activation de surfaces, la fabrication de semi-conducteurs et d'électronique et la production de composants optiques de précision.

Dr.-Ing. Mark Paravia est le directeur général d'Opsytec Dr. Gröbel GmbH à Ettlingen et dirige le laboratoire d'étalonnage accrédité. À la suite de ses recherches sur les décharges excimères au xénon pulsées à l'Institut de technique d'éclairage du KIT, il se consacre aujourd'hui à la mesure du rayonnement optique. Il est vice-président du comité de normalisation DIN FNL 7 « Rayonnement optique » et membre du groupe de projet DVGW sur la désinfection UV.