जेनॉन एक्साइमर लैंप से 172 nm VUV विकिरण का मापन

जेनॉन एक्साइमर लैंप वैक्यूम यूवी में लगभग 172 nm पर एक संकीर्ण बैंड में उत्सर्जन करते हैं। इस विकिरण का मापन क्लासिक UVA, UVB या UVC रेडियोमेट्री से मूलतः भिन्न होता है, क्योंकि VUV बहुत छोटे वायु पथों में ही प्रबल रूप से अवशोषित हो जाता है। इसलिए मापन दूरी, वायुमंडल, विंडो और डिटेक्टर सामग्री तथा अंशांकन ज्यामिति भी मापन परिणाम का हिस्सा बन जाते हैं।

यह पेज बताता है कि 172 nm पर क्या अलग होता है और एक विश्वसनीय मापन कैसे स्थापित किया जाता है। उपकरणों का तकनीकी डेटा संबंधित उत्पाद पृष्ठों पर दिया गया है।

172 nm पर एक फोटॉन लगभग 7.2 eV वहन करता है। यह C–C, C–H और C–O आबंधों को सीधे तोड़ने के लिए पर्याप्त है। इसलिए यह विकिरण अणुओं पर तुरंत क्रिया करता है, न कि 254 nm की तरह न्यूक्लिक अम्लों में अवशोषण के माध्यम से: 172 nm मुख्यतः प्रकाश-रासायनिक है, जबकि 254 nm मुख्यतः प्रकाश-जैविक है। किसी फोटोइनिशिएटर की आवश्यकता नहीं होती।

दूसरा निर्धारक गुण वायु में प्रबल अवशोषण है। आणविक ऑक्सीजन 172 nm के आसपास इतनी प्रबलता से अवशोषित करती है कि केवल कुछ मिलीमीटर का वायु पथ ही विकिरण को उल्लेखनीय रूप से क्षीण कर देता है; अधिक दूरी पर लक्ष्य तक व्यावहारिक रूप से कुछ भी नहीं पहुँचता। अवशोषित ऊर्जा ऑक्सीजन अणुओं को विभाजित कर देती है, जिससे किरण पथ में परमाणविक ऑक्सीजन और ओज़ोन बनते हैं और स्वयं रासायनिक रूप से क्रियाशील होते हैं।

जो मापन में एक बाधा प्रतीत होता है, वही प्रक्रिया में लाभ है: यह ठीक कम परास और किरण पथ में बनी अभिक्रियाशील स्पीशीज़ ही हैं जो शुष्क सूक्ष्म सफाई और सतह सक्रियण को संभव बनाती हैं।

नीचे दिया गया चित्र Xe₂* सातत्यक की तुलना कम-दाब पारद लैंप के मापे गए रेखा स्पेक्ट्रम से करता है। सातत्यक 172 nm पर केंद्रित एक मॉडल है जिसकी अर्ध-अधिकतम पूर्ण चौड़ाई (FWHM) 14 nm है; वर्णक्रमीय डेटाबेस में स्वयं VUV परास के लिए कोई माप उपलब्ध नहीं है।

उत्तेजन एक डाईइलेक्ट्रिक बैरियर डिस्चार्ज (DBD) में होता है: वातावरणीय दाब के निकट क्सीनॉन क्वार्ट्ज़, ग्लास या सिरेमिक से ढके इलेक्ट्रोड्स के बीच कुछ मिलीमीटर के अंतराल में स्थित होता है, जिसे किलोहर्ट्ज़ परास में उच्च वोल्टेज से चलाया जाता है। यह डिस्चार्ज एक स्थिर प्लाज़्मा नहीं है बल्कि बड़ी संख्या में अल्पजीवी माइक्रोडिस्चार्ज हैं जो कुछ से कई सौ नैनोसेकंड तक रहते हैं और तेज़ी से गैस आयतन को भर देते हैं। डाईइलेक्ट्रिक धारा को सीमित करता है, प्रत्येक माइक्रोडिस्चार्ज को स्वयं समाप्त करता है और तापीय आर्क में संक्रमण को रोकता है – गैस परिवेशी तापमान पर बनी रहती है (Falkenstein, Ushio)।

गैस में, इलेक्ट्रॉन प्रभाव पहले उत्तेजित क्सीनॉन परमाणु उत्पन्न करता है। दो भूमि-अवस्था क्सीनॉन परमाणुओं के साथ त्रि-निकाय अभिक्रिया में ये एक्साइमर Xe₂* बनाते हैं। क्योंकि यह निर्माण मार्ग एक त्रि-निकाय संघट्ट है, इसीलिए वातावरणीय दाब के निकट उच्च प्रचालन दाब पहले से ही आवश्यक है।

निर्णायक बिंदु डाइमर की भूमि-अवस्था है: यह प्रतिकर्षी है, या बहुत ही कमज़ोर रूप से बंधित है, और इस कारण तापीय रूप से अस्थिर है। उत्सर्जन के तत्काल बाद अणु वियोजित हो जाता है, इसलिए अपने ही विकिरण के लिए कोई अवशोषक नहीं होता। परिणाम 172 nm के आसपास एक निरंतरक (कंटीन्युअम) है, जो स्व-अवशोषण से मुक्त है, जिसकी अर्ध-अधिकतम पूर्ण चौड़ाई (FWHM) लगभग 14 nm है (Fraunhofer IFAM, जर्मन में)। यहीं यह मरकरी लैंप से भिन्न है, जिसकी अनुनाद रेखाएँ प्लाज़्मा में बार-बार पुनःअवशोषित होती हैं और जिसका उत्पादन इसलिए दीवार के तापमान पर निर्भर करता है।

इसी भौतिकी से व्यावहारिक गुण उत्पन्न होते हैं: विद्युत शक्ति का 40 % तक उपयोगी VUV विकिरण में परिवर्तित होता है, विकिरण क्षेत्र अत्यंत समरूप होता है, विकिरणित भाग शायद ही गरम होते हैं, लैंप को बिना किसी वार्म-अप अवधि के तुरंत चालू और बंद किया जा सकता है, और यह मरकरी-मुक्त प्रचालित होता है।

उत्तेजन सिद्धांत मरकरी वेपर लैंप से भी पुराना है। 1855 में थियोडोस डु मोंसेल ने कांच से ढके और एक छोटे गैस गैप से अलग किए गए समतल इलेक्ट्रोड विन्यास के बारे में बताया; 1857 में वर्नर फॉन सीमेंस ने टिन फॉयल इलेक्ट्रोड और कांच को डाइइलेक्ट्रिक के रूप में प्रयुक्त करने वाले बेलनाकार ओज़ोन जनरेटर का वर्णन किया – यह डाइइलेक्ट्रिक बैरियर डिस्चार्ज उसी रूप में है जो आज भी सामान्य है (DBD के इतिहास की समीक्षा)।

नोबल गैसों से एक्साइमर उत्सर्जन का प्रारंभिक उपयोग 1970 और 1980 के दशकों में लेज़र तकनीक में किया गया था। जब उलरिष कोगेल्शाट्ज़ और बाल्डुर एलिआसन ने असंसक्त एक्साइमर स्रोतों को उत्तेजित करने के एक कुशल तरीके के रूप में DBD को स्थापित किया, तभी एक्साइमर लैंप अपने आप में एक स्वतंत्र स्रोत के रूप में उभरा। औद्योगिक 172 nm ज़ेनॉन एक्साइमर लैंप 1990 के दशक में सामने आए और शीघ्र ही अर्धचालक सफाई और सतह सक्रियण में अपना स्थान बना लिया।

कालक्रम उल्लेखनीय है: यह सिद्धांत 19वीं सदी के मध्य से चला आ रहा है, जबकि सतह प्रक्रियाओं के लिए विकिरण स्रोत के रूप में औद्योगिक उपयोग लगभग 140 वर्ष बाद शुरू होता है।

सबसे व्यापक उपयोग सतहों की शुष्क सूक्ष्म सफाई है: हाइड्रोकार्बन को प्रकाशरासायनिक रूप से विभाजित किया जाता है और किरण पथ में बने परमाण्विक ऑक्सीजन तथा ओज़ोन द्वारा कार्बन डाईऑक्साइड और जल में ऑक्सीकृत किया जाता है – बिना विलायकों के और बिना यांत्रिक आघात के। इससे सीधे संबंधित है आबंधन, पेंटिंग, वायर बॉन्डिंग और लेपन से पहले सतह सक्रियण, जिसमें पॉलिमरों का सक्रियण भी शामिल है; यह इन-लाइन या बैच प्रक्रिया के रूप में, वायु में या नाइट्रोजन वातावरण में किया जाता है।

अर्धचालक और इलेक्ट्रॉनिक्स निर्माण में, 172 nm विकिरण का उपयोग वेफर और मास्क सफाई, फोटोरेसिस्ट तथा अधिशोषक अवशेषों को हटाने और भिगोने की क्षमता में सुधार के लिए किया जाता है; इसी प्रकार के कार्य परिशुद्ध प्रकाशिक घटकों के उत्पादन तथा डिस्प्ले प्रौद्योगिकी में भी उत्पन्न होते हैं। प्रकाशरासायनिक रूप से, निम्न तापमान पर भी परतें बनाई जा सकती हैं, उदाहरण के लिए पॉलीसिलाज़ेन से SiOₓ अवरोधक परतें। जल और निकास वायु उपचार में, VUV विकिरण का उपयोग OH रैडिकल उत्पन्न करने के लिए किया जाता है।

सभी प्रयोगों में जो समान है वह दूरी और वातावरण पर उनकी निर्भरता है। क्योंकि वायु में अवशोषण उपयोगी कार्य दूरी को कुछ मिलीमीटर तक सीमित कर देता है, प्रक्रिया ज्यामिति, शुद्धिकरण (पर्जिंग) और विकिरणन समय सीमा शर्तें नहीं बल्कि वास्तविक प्रक्रिया पैरामीटर हैं – और ठीक इसी कारण से इन्हें भी मापा और दर्ज किया जाना चाहिए।

ऑक्सीजन 172 nm के आसपास प्रबल रूप से अवशोषण करती है। केवल कुछ मिलीमीटर की वायु पथ लंबाई ही विकिरण को उल्लेखनीय रूप से क्षीण कर देती है; लंबी दूरियों पर व्यावहारिक रूप से डिटेक्टर तक कुछ भी नहीं पहुँचता। अवशोषित ऊर्जा ऑक्सीजन अणुओं को वियोजित कर देती है, जिससे किरण पथ के साथ अतिरिक्त रूप से ओज़ोन बनता है, जो बदले में UVC में अवशोषण करता है और समय के साथ परिस्थितियों को बदल देता है।

व्यावहारिक परिणाम यह है: 172 nm मापन तभी पुनरुत्पादनीय है जब किरण पथ के साथ दूरी और वातावरण परिभाषित तथा दस्तावेज़ीकृत हों। बहुत छोटी मापन दूरियाँ, नाइट्रोजन प्रवाह (purge) या निर्वातित सेटअप सामान्य रूप से प्रयोग किए जाते हैं। 172 nm पर, दूरी और वातावरण बताए बिना लिया गया पाठ्यांक व्याख्या योग्य नहीं है।

• बीम पथ में वातावरण। वायु, शुद्ध की गई नाइट्रोजन या निर्वात स्पष्ट रूप से भिन्न रीडिंग देते हैं। शुद्धिकरण दर और अवशिष्ट ऑक्सीजन सांद्रता मापन रिकॉर्ड में शामिल होनी चाहिए।
• मापन दूरी। प्रबल अवशोषण के कारण, दूरी का महत्व केवल व्युत्क्रम-वर्ग नियम से अपेक्षित से कहीं अधिक होता है। दूरी वास्तविक प्रक्रिया तल के सापेक्ष होनी चाहिए।
• खिड़की सामग्री। सामान्य फ्यूज्ड सिलिका 172 nm पर पहले से ही प्रबल रूप से अवशोषित करता है। इसके बजाय पर्याप्त VUV पारगम्यता वाली सामग्रियों का उपयोग किया जाता है, जैसे मैग्नीशियम फ्लोराइड या कैल्शियम फ्लोराइड; उच्च-शुद्धता संश्लेषित फ्यूज्ड सिलिका केवल लगभग 160 nm तक ही उपयुक्त है।
• डिटेक्टर और जीर्णन। सोलर-ब्लाइंड डिटेक्टर लंबी तरंगदैर्घ्यों के प्रति क्रॉस संवेदनशीलता से बचते हैं। खिड़कियां और डिटेक्टर VUV भार में जीर्ण हो जाते हैं, इसलिए कम पुनर्अंशांकन अंतराल की सलाह दी जाती है।
• संदूषण। खिड़कियों पर कार्बनिक निक्षेप VUV में विशेष रूप से प्रभावी ढंग से विघटित होते हैं, लेकिन तब तक वे पारगम्यता को बदल देते हैं। सफाई की स्थिति और प्रचालन घंटे आकलन में शामिल होने चाहिए।

विश्वसनीय मापन के लिए, स्रोत से डिटेक्टर तक का पूरा पथ परिभाषित किया जाता है: दूरी, वातावरण, अपर्चर, विंडो सामग्री और डिटेक्टर प्रकार। यह परिभाषा मापन प्रक्रिया का हिस्सा है और इसे प्रत्येक पुनरावृत्ति के लिए दोहराया जाना चाहिए, अन्यथा मान तुलनीय नहीं होते हैं।

VUV में मापीय अनुरेखणीयता UVA या UVC रेंज की तुलना में अधिक मांगपूर्ण है। यदि किसी प्रक्रिया को VUV रीडिंग पर निर्भर रहना है, तो यूवी प्रयोगशाला में परिभाषित परिस्थितियों में संविदा मापन कराना उचित है; अंशांकन और मापीय अनुरेखणीयता को मान्यताप्राप्त अंशांकन प्रयोगशाला द्वारा वर्णित किया गया है।

ज़ेनॉन एक्साइमर स्रोतों पर विकिरण मात्रा मापन के लिए, tinyTracker 172 nm उपलब्ध है; यह प्रक्रिया तल पर सीधे विकिरण उद्भासन दर्ज करता है। VUV के बाहर वर्णक्रमीय प्रश्नों के लिए, प्रयोगशाला में SR900 उपयुक्त है, हालांकि यह 172 nm के आसपास VUV रेंज को कवर नहीं करता है।

172 nm विकिरणन और उसके मापन के विशिष्ट क्षेत्र हैं सतह की सफाई और सक्रियण, अर्धचालक और इलेक्ट्रॉनिक्स विनिर्माण और प्रकाशिक परिशुद्ध घटकों का उत्पादन।

डॉ.-इंग. मार्क पारावीया एटलिंगेन स्थित Opsytec Dr. Gröbel GmbH के प्रबंध निदेशक हैं और मान्यताप्राप्त अंशांकन प्रयोगशाला के प्रधान हैं। KIT के प्रकाश प्रौद्योगिकी संस्थान में स्पंदित क्सीनॉन एक्साइमर विसर्जन पर अपने शोध के बाद, आज उनका मुख्य केंद्र प्रकाशीय विकिरण मापन है। वे DIN मानक समिति FNL 7 "ऑप्टिकल विकिरण" के उपाध्यक्ष और यूवी विसंक्रमण पर DVGW परियोजना समूह के सदस्य हैं।