מדידת קרינת VUV באורך גל 172 nm ממנורות אקסימר קסנון

מנורות אקסימר קסנון פולטות בפס צר בתחום ה-UV הוואקוומי (VUV), באורך גל של כ-172 nm. מדידת קרינה זו שונה באופן מהותי ממדידת UVA, UVB או UVC קלאסית, מכיוון שקרינת VUV נבלעת בעוצמה רבה על פני מרחקי אוויר קצרים ביותר. לכן מרחק המדידה, האטמוספרה, חומר החלון והגלאי, וכן גיאומטריית הכיול, הופכים לחלק בלתי נפרד מתוצאת המדידה.

עמוד זה מתאר מהם ההבדלים באורך גל 172 nm וכיצד ניתן להקים מדידה אמינה. נתונים טכניים על המכשירים מופיעים בעמודי המוצרים המתאימים.

פוטון באורך גל 172 nm נושא כ-7.2 eV. אנרגיה זו מספיקה כדי לשבור במישרין קשרים מסוג C–C, C–H ו-C–O. לכן הקרינה פועלת על המולקולות באופן ישיר, ולא כמו ב-254 nm, שבו הפעולה מתבצעת באמצעות בליעה בחומצות גרעין: אורך הגל 172 nm הוא בעיקרו פוטוכימי, ואילו 254 nm הוא בעיקרו פוטוביולוגי. אין צורך בזרז פוטוני (photoinitiator).

המאפיין המכריע השני הוא הבליעה החזקה באוויר. החמצן המולקולרי נבלע בעוצמה כזו סביב 172 nm, שמסלול אוויר של רק מספר מילימטרים מחליש את הקרינה בצורה ניכרת; במרחקים גדולים יותר כמעט ואין קרינה שמגיעה למטרה. האנרגיה הנבלעת מפרקת את מולקולות החמצן, כך שנוצרים חמצן אטומי ואוזון במסלול הקרן ופועלים כימית בזכות עצמם.

מה שנראה כמכשול במדידה הוא היתרון בתהליך: דווקא הטווח הקצר והמינים הריאקטיביים הנוצרים במסלול הקרן הם שמאפשרים ניקוי יבש עדין והפעלת פני שטח (surface activation).

התמונה שלהלן משווה בין הרצף הספקטרלי (continuum) של Xe₂* לבין ספקטרום הקווים הנמדד של מנורת חסמת נמוכה. הרצף הוא מודל הממורכז ב-172 nm עם רוחב מלא בחצי הגובה (FWHM) של 14 nm; מסד הנתונים הספקטרלי אינו מכיל מדידה לטווח ה-VUV עצמו.

ההצתה מתבצעת בפריקת מחסום דיאלקטרי (DBD): קסנון בלחץ הקרוב לאטמוספרי ממוקם במרווח של מספר מילימטרים בין אלקטרודות המכוסות בקוורץ, זכוכית או קרמיקה, המופעלות במתח גבוה בתחום הקילוהרץ. הפריקה אינה פלזמה יציבה אלא מספר רב של פריקות מיקרו קצרות-חיים הנמשכות ממספר עד מאות ננושניות, אשר ממלאות במהירות את נפח הגז. המחסום הדיאלקטרי מגביל את הזרם, מפסיק כל פריקת מיקרו בעצמו ומונע מעבר לקשת תרמית – הגז נותר בטמפרטורת הסביבה (Falkenstein, Ushio).

בתוך הגז, פגיעת אלקטרונים מייצרת ראשית אטומי קסנון מעוררים. בתגובה תלת-גופית עם שני אטומי קסנון במצב יסוד, אלה יוצרים את האקסימר Xe₂*. מכיוון שערוץ יצירה זה הוא התנגשות תלת-גופית, נדרש לכתחילה לחץ הפעלה גבוה הקרוב לאטמוספרי.

הנקודה המכרעת היא מצב היסוד של הדימר: הוא דוחה, או קשור בצורה חלשה מאוד בלבד, ולכן אינו יציב תרמית. המולקולה מתנתקת (דיסוציאציה) מיידית לאחר הפליטה, כך שאין קולט (בולען) עבור הקרינה שהיא עצמה פולטת. התוצאה היא רצף (קונטינום) סביב 172 nm, נקי מבליעה עצמית, עם רוחב מלא בגובה מחצית השיא (FWHM) של כ-14 nm (Fraunhofer IFAM, בגרמנית). כאן בדיוק נבדל האקסימר ממנורת הכספית, שבה קווי התהודה נבלעים שוב ושוב בפלזמה, וכך תפוקתה תלויה בטמפרטורת הקיר.

מפיזיקה זו נגזרות התכונות המעשיות: עד 40 % מההספק החשמלי מומרים לקרינת VUV שמישה, שדה הקרינה הומוגני מאוד, החלקים המוקרנים כמעט שאינם מתחממים, ניתן להדליק ולכבות את המנורה באופן מיידי בלי שלב חימום, והפעולה נטולת כספית.

עקרון העירור עתיק יותר ממנורת אדי הכספית. בשנת 1855 דיווח תאודוז דו מונסל על מערך אלקטרודות מישורי המכוסה בזכוכית ומופרד במרווח גז קטן; בשנת 1857 תיאר ורנר פון סימנס את מחולל האוזון הגלילי עם אלקטרודות מנייר בדיל וזכוכית כדיאלקטרי – פריקת המחסום הדיאלקטרי בצורה הנפוצה עד היום (סקירה על ההיסטוריה של ה-DBD).

פליטת אקסימר מגזים אצילים שימשה בתחילה בטכנולוגיית הלייזר בשנות ה-1970 וה-1980. רק כאשר אולריך קוגלשץ ובלדור אליאסון ביססו את ה-DBD כדרך יעילה לעירור מקורות אקסימר בלתי קוהרנטיים, התפתחה מנורת האקסימר כמקור העומד בפני עצמו. מנורות אקסימר תעשייתיות של קסנון באורך גל 172 nm הופיעו בשנות ה-1990 ומצאו במהירות את דרכן לניקוי מוליכים למחצה ולהפעלת פני שטח.

סדר הזמנים ראוי לציון: העיקרון מקורו באמצע המאה ה-19, ואילו השימוש התעשייתי כמקור קרינה לתהליכי פני שטח מתחיל כ-140 שנה מאוחר יותר.

השימוש הנפוץ ביותר הוא ניקוי יבש ועדין של משטחים: פחמימנים מפוצלים פוטוליטית ומחומצנים לפחמן דו-חמצני ומים על ידי חמצן אטומי ואוזון הנוצרים במסלול הקרן – ללא ממסים וללא פגיעה מכנית. קשור לכך ישירות הפעלת משטחים (הכנת פני שטח) לפני הדבקה, צביעה, הדבקת חוטים וציפוי, לרבות הפעלת פולימרים; התהליך מתבצע בקו רציף או כתהליך אצוותי, באוויר או באטמוספרת חנקן.

בייצור מוליכים למחצה ואלקטרוניקה, קרינה באורך גל 172 nm משמשת לניקוי מפלטות (wafer) ומסכות, להסרת שאריות פוטורזיסט וחומרים נספחים ולשיפור ההרטבה; משימות דומות מתעוררות בייצור רכיבים אופטיים בעלי דיוק גבוה ובטכנולוגיית תצוגות. באופן פוטוכימי, ניתן גם ליצור שכבות בטמפרטורה נמוכה, לדוגמה שכבות מחסום מסוג SiOₓ מפוליסילזאנים. בטיפול במים ובאוויר פליטה, קרינת VUV משמשת ליצירת רדיקלי OH.

המשותף לכל השימושים הוא התלות במרחק ובאטמוספרה. מכיוון שהבליעה באוויר מגבילה את מרחק העבודה השימושי למספר מילימטרים בלבד, גיאומטריית התהליך, שטיפת הגז ומשך ההקרנה אינם תנאי סביבה אלא פרמטרי התהליך בפועל – ומטעם זה בדיוק יש למדוד ולתעד גם אותם.

חמצן סופג בעוצמה רבה בסביבות 172 nm. מסלול אוויר של כמה מילימטרים בלבד כבר מחליש את הקרינה באופן ניכר; במרחקים ארוכים יותר כמעט לא מגיע דבר לגלאי. האנרגיה הנספגת מפרקת מולקולות חמצן, כך שנוצר בנוסף אוזון לאורך מסלול הקרן, אשר סופג בתורו בתחום ה-UVC ומשנה את התנאים במשך הזמן.

המשמעות המעשית: מדידה ב-172 nm ניתנת לשחזור רק כאשר המרחק והאטמוספרה לאורך מסלול הקרן מוגדרים ומתועדים. נפוצים מרחקי מדידה קצרים מאוד, שטיפה בחנקן או מערכת מרוקנת מאוויר (וואקום). ב-172 nm, קריאה ללא ציון מרחק ואטמוספרה אינה ניתנת לפירוש.

• אטמוספרה בנתיב הקרן. אוויר, שטיפה בחנקן או ואקום מובילים לתוצאות שונות באופן ברור. קצב השטיפה וריכוז החמצן השייר צריכים להיכלל ברישום המדידה.
• מרחק המדידה. בשל הבליעה החזקה, המרחק משפיע הרבה יותר ממה שחוק הריבוע ההופכי לבדו מציע. המרחק צריך להתייחס למישור התהליך האמיתי.
• חומר החלון. קוורץ מותך רגיל בולע בעוצמה כבר ב-172 nm. במקום זאת נעשה שימוש בחומרים עם העברה מספקת ב-VUV, כגון מגנזיום פלואוריד או קלציום פלואוריד; קוורץ סינתטי בטוהר גבוה בלבד עד כ-160 nm.
• גלאי והזדקנות. גלאים עיוורי-שמש (solar-blind) מונעים רגישות צולבת לאורכי גל ארוכים יותר. חלונות וגלאים מזדקנים תחת עומס VUV, ולכן מומלצים מרווחי כיול מחדש קצרים.
• זיהום. שקעים אורגניים על חלונות מתפרקים ביעילות רבה במיוחד ב-VUV, אך עד אז הם משנים את ההעברה. מצב הניקיון ושעות ההפעלה צריכים להיכלל בהערכה.

לצורך מדידה אמינה, יש להגדיר את כל המסלול מהמקור לגלאי: מרחק, אטמוספרה, פתחים, חומר החלון וסוג הגלאי. הגדרה זו היא חלק מנוהל המדידה ויש לשחזרה בכל חזרה על המדידה, אחרת הערכים אינם ניתנים להשוואה.

עקיבות מטרולוגית בתחום VUV מחייבת יותר מזו שבתחום UVA או UVC. אם תהליך מסוים נשען על קריאות VUV, מומלץ לבצע מדידת חוזה בתנאים מוגדרים במעבדת ה-UV; הכיול והעקיבות המטרולוגית מתוארים על ידי מעבדת הכיול המוכרת.

למדידת מנת קרינה במקורות אקסימר קסנון, ניתן להשתמש ב-tinyTracker 172 nm; הוא מודד את החשיפה הקרינתית ישירות במישור התהליך. לשאלות ספקטרליות מעבר לתחום VUV, מכשיר SR900 מתאים לשימוש במעבדה, אף שאינו מכסה את תחום ה-VUV שסביב 172 nm.

תחומי שימוש טיפוסיים להקרנה ב-172 nm ולמדידתה הם ניקוי והפעלת שטחים, ייצור מוליכים למחצה ואלקטרוניקה, וייצור רכיבי אופטיקה בדיוק גבוה.

ד"ר מארק פאראביה הוא המנהל המנהל ('CEO') של Opsytec Dr. Gröbel GmbH באטלינגן ועומד בראש מעבדת הכיול המוכרת. בהמשך למחקרו על פריקות אקסימר קסנון פועמות במכון לטכנולוגיית תאורה (Institute of Lighting Technology) ב-KIT, מוקד עסקיו כיום הוא מדידת קרינה אופטית. הוא ממלא תפקיד סגן יו"ר בוועדת התקינה הגרמנית DIN, FNL 7 "קרינה אופטית", וחבר בקבוצת הפרויקט של DVGW לחיטוי UV.