Misura della radiazione VUV a 172 nm di lampade excimer allo xeno

Le lampade excimer allo xeno emettono in una banda stretta nell'UV sotto vuoto intorno a 172 nm. La misura di questa radiazione differisce fondamentalmente dalla radiometria classica UVA, UVB o UVC, poiché la VUV viene fortemente assorbita già su tratti d'aria molto brevi. La distanza di misura, l'atmosfera, il materiale della finestra e del rivelatore e la geometria di taratura diventano quindi parte integrante del risultato della misura.

Questa pagina descrive cosa cambia a 172 nm e come si imposta una misura affidabile. I dati tecnici degli strumenti sono riportati nelle rispettive pagine di prodotto.

Un fotone a 172 nm trasporta circa 7,2 eV. Ciò è sufficiente per rompere direttamente i legami C–C, C–H e C–O. La radiazione agisce quindi sulle molecole immediatamente e non, come a 254 nm, tramite assorbimento negli acidi nucleici: i 172 nm sono principalmente fotochimici, i 254 nm principalmente fotobiologici. Non è richiesto alcun fotoiniziatore.

La seconda proprietà distintiva è il forte assorbimento nell'aria. L'ossigeno molecolare assorbe così fortemente attorno ai 172 nm che un percorso in aria di pochi millimetri attenua notevolmente la radiazione; su distanze maggiori praticamente nulla raggiunge il target. L'energia assorbita scinde le molecole di ossigeno, cosicché nel percorso del fascio si formano ossigeno atomico e ozono, che agiscono chimicamente in modo autonomo.

Ciò che nella misurazione appare come un ostacolo è il vantaggio nel processo: sono proprio la corta portata e le specie reattive formate nel percorso del fascio a rendere possibili la pulizia fine a secco e l'attivazione delle superfici.

La figura seguente confronta il continuo Xe₂* con lo spettro a righe misurato di una lampada a mercurio a bassa pressione. Il continuo è un modello centrato a 172 nm con una larghezza a metà altezza (FWHM) di 14 nm; il database spettrale non contiene alcuna misurazione per la gamma VUV stessa.

L'eccitazione avviene in una scarica a barriera dielettrica (DBD): xeno a pressione prossima a quella atmosferica si trova in un intervallo di pochi millimetri tra elettrodi rivestiti di quarzo, vetro o ceramica, alimentati con alta tensione nell'intervallo dei kilohertz. La scarica non è un plasma stazionario, ma un gran numero di microscariche di breve durata, che durano da pochi a diverse centinaia di nanosecondi, e che riempiono rapidamente il volume di gas. Il dielettrico limita la corrente, interrompe ciascuna microscarica autonomamente e impedisce la transizione verso un arco termico – il gas rimane a temperatura ambiente (Falkenstein, Ushio).

Nel gas, l'impatto elettronico produce inizialmente atomi di xeno eccitati. In una reazione a tre corpi con due atomi di xeno allo stato fondamentale si forma l'eccimero Xe₂*. Poiché questo canale di formazione è un urto a tre corpi, è necessaria innanzitutto un'elevata pressione di esercizio prossima a quella atmosferica.

Il punto decisivo è lo stato fondamentale del dimero: esso è repulsivo, o legato solo molto debolmente, e quindi termicamente instabile. La molecola si dissocia immediatamente dopo l'emissione, per cui non esiste alcun assorbitore per la propria radiazione. Il risultato è un continuo attorno a 172 nm, privo di autoassorbimento, con una larghezza a metà altezza (FWHM) di circa 14 nm (Fraunhofer IFAM, in tedesco). È esattamente qui che si differenzia dalla lampada a mercurio, le cui righe di risonanza vengono ripetutamente riassorbite nel plasma e la cui emissione dipende quindi dalla temperatura della parete.

Da questa fisica derivano le proprietà pratiche: fino al 40 % della potenza elettrica viene convertita in radiazione VUV utilizzabile, il campo di radiazione è molto omogeneo, le parti irradiate si riscaldano a malapena, la lampada può essere accesa e spenta istantaneamente senza fase di riscaldamento e funziona senza mercurio.

Il principio di eccitazione è più antico della lampada a vapori di mercurio. Nel 1855 Theodose du Moncel descrisse una disposizione di elettrodi planari rivestiti di vetro e separati da un piccolo spazio di gas; nel 1857 Werner von Siemens descrisse il generatore di ozono cilindrico con elettrodi in lamina di stagno e vetro come dielettrico – la scarica a barriera dielettrica nella forma ancora oggi diffusa (rassegna della storia della DBD).

L'emissione di eccimeri dai gas nobili fu inizialmente impiegata nella tecnologia laser negli anni 1970 e 1980. Solo quando Ulrich Kogelschatz e Baldur Eliasson affermarono la DBD come metodo efficiente per eccitare sorgenti a eccimeri incoerenti, la lampada a eccimeri emerse come sorgente a sé stante. Le lampade industriali a eccimeri allo xeno da 172 nm comparvero negli anni 1990 e trovarono rapidamente impiego nella pulizia dei semiconduttori e nell'attivazione delle superfici.

La cronologia è degna di nota: il principio risale alla metà del 19° secolo, mentre l'impiego industriale come sorgente di radiazione per i processi superficiali inizia circa 140 anni dopo.

L'uso più diffuso è la pulizia fine a secco delle superfici: gli idrocarburi vengono scissi per via fotolitica e ossidati ad anidride carbonica e acqua dall'ossigeno atomico e dall'ozono che si formano nel percorso del fascio – senza solventi e senza attacco meccanico. Direttamente correlata è l'attivazione superficiale prima dell'incollaggio, della pittura, del wire bonding e della verniciatura, inclusa l'attivazione dei polimeri; viene eseguita in linea o come processo in batch, in aria o in atmosfera di azoto.

Nella produzione di semiconduttori ed elettronica, la radiazione a 172 nm viene utilizzata per la pulizia di wafer e maschere, per la rimozione di residui di fotoresist e adsorbati e per migliorare la bagnabilità; compiti simili si presentano nella produzione di componenti ottici di precisione e nella tecnologia dei display. Per via fotochimica è possibile anche formare strati a bassa temperatura, ad esempio strati barriera di SiOₓ a partire da polisilazani. Nel trattamento delle acque e dell'aria di scarico, la radiazione VUV viene utilizzata per generare radicali OH.

Ciò che tutte le applicazioni hanno in comune è la dipendenza dalla distanza e dall'atmosfera. Poiché l'assorbimento nell'aria limita la distanza di lavoro utilizzabile a pochi millimetri, la geometria del processo, il flussaggio e il tempo di irraggiamento non sono condizioni al contorno ma i veri parametri di processo – e proprio per questo devono anch'essi essere misurati e documentati.

L'ossigeno assorbe fortemente attorno a 172 nm. Un percorso in aria di pochi millimetri attenua già sensibilmente la radiazione; su distanze maggiori praticamente nulla raggiunge il rivelatore. L'energia assorbita dissocia le molecole di ossigeno, per cui lungo il percorso del fascio si forma inoltre ozono, che a sua volta assorbe nell'UVC e modifica le condizioni nel tempo.

La conseguenza pratica: una misura a 172 nm è riproducibile solo se la distanza e l'atmosfera lungo il percorso del fascio sono definite e documentate. Sono comuni distanze di misura molto brevi, un flusso di azoto o un allestimento in vuoto. A 172 nm, una lettura senza indicazione della distanza e dell'atmosfera non può essere interpretata.

• Atmosfera nel percorso del fascio. Aria, azoto di spurgo o vuoto portano a letture chiaramente diverse. La portata di spurgo e la concentrazione residua di ossigeno fanno parte del protocollo di misura.
• Distanza di misura. A causa del forte assorbimento, la distanza conta molto più di quanto suggerirebbe da sola la legge dell'inverso del quadrato. La distanza deve riferirsi al piano di processo reale.
• Materiale della finestra. Il normale quarzo fuso assorbe già fortemente a 172 nm. Si utilizzano invece materiali con sufficiente trasmissione VUV, come fluoruro di magnesio o fluoruro di calcio; il quarzo sintetico ad alta purezza solo fino a circa 160 nm.
• Rilevatore e invecchiamento. I rilevatori solar-blind evitano la sensibilità incrociata a lunghezze d'onda maggiori. Finestre e rilevatori invecchiano sotto il carico VUV, per cui sono consigliabili brevi intervalli di nuova taratura.
• Contaminazione. I depositi organici sulle finestre vengono scomposti in modo particolarmente efficace nel VUV, ma fino a quel momento modificano la trasmissione. Lo stato di pulizia e le ore di funzionamento fanno parte della valutazione.

Per una misura affidabile, viene definito l'intero percorso dalla sorgente al rivelatore: distanza, atmosfera, aperture, materiale della finestra e tipo di rivelatore. Questa definizione fa parte della procedura di misura e deve essere riprodotta per ogni ripetizione, altrimenti i valori non sono comparabili.

La riferibilità metrologica nel VUV è più impegnativa che nell'intervallo UVA o UVC. Se un processo deve basarsi su letture VUV, è consigliabile una misura su commessa in condizioni definite presso il laboratorio UV; la taratura e la riferibilità metrologica sono descritte dal laboratorio di taratura accreditato.

Per la misurazione della dose su sorgenti excimer a xeno è disponibile il tinyTracker 172 nm, che registra l'esposizione radiante direttamente nel piano di processo. Per questioni spettrali fuori dal VUV, in laboratorio è idoneo il SR900, anche se non copre l'intervallo VUV attorno ai 172 nm.

Ambiti tipici per l'irraggiamento a 172 nm e la sua misurazione sono la pulizia e attivazione delle superfici, la produzione di semiconduttori ed elettronica e la produzione di componenti ottici di precisione.

Dott. Ing. Mark Paravia è amministratore delegato di Opsytec Dr. Gröbel GmbH a Ettlingen e dirige il laboratorio di taratura accreditato. Dopo le sue ricerche sulle scariche a eccimeri di xeno pulsato presso l'Institute of Lighting Technology del KIT, oggi si occupa principalmente della misurazione della radiazione ottica. È vicepresidente del comitato normativo DIN FNL 7 "Radiazione ottica" e membro del gruppo di progetto DVGW sulla disinfezione UV.