キセノンエキシマランプの172 nm VUV放射の測定

キセノンエキシマランプは172 nm付近の真空紫外域において狭帯域で発光します。VUVは非常に短い空気経路でも強く吸収されるため、この放射の測定は従来のUVA、UVBまたはUVC放射計測とは根本的に異なります。したがって、測定距離、雰囲気、窓material及び検出器material、そして校正幾何学的配置が測定結果の一部となります。

本ページでは、172 nmにおいて何が異なるか、また信頼性の高い測定をどのように構築するかについて説明します。各機器の技術データについては、それぞれの製品ページをご参照ください。

172 nmの光子は約7.2 eVのエネルギーを持ちます。これはC–C結合、C–H結合、C–O結合を直接切断するのに十分なエネルギーです。したがって、この放射線は254 nmのように核酸への吸収を介してではなく、分子に直接作用します。172 nmは主に光化学的であり、254 nmは主に光生物学的です。光開始剤は不要です。

2つ目の特徴的な性質は、空気中での強い吸収です。分子状酸素は172 nm付近で非常に強く吸収するため、わずか数ミリメートルの空気層でも放射線が著しく減衰します。より長い距離では、対象物にはほとんど到達しません。吸収されたエネルギーによって酸素分子が分裂し、原子状酸素とオゾンがビーム経路内に生成され、それ自体が化学的に作用します。

測定上は障害に見えるものが、プロセスにおいては利点となります。まさにこの短い到達距離とビーム経路内で生成される反応種こそが、ドライ精密洗浄と表面活性化を可能にするのです。

下図は、Xe₂*連続スペクトルと低圧水銀ランプの実測線スペクトルを比較したものです。この連続スペクトルは172 nmを中心とし、半値全幅（FWHM）14 nmのモデルです。分光データベースにはVUV領域自体の実測値は存在しません。

励起は誘電体バリア放電（DBD）で行われます。ほぼ大気圧のキセノンが、石英、ガラスまたはセラミックで覆われた電極間の数ミリメートルの間隙に存在し、キロヘルツ帯の高電圧で駆動されます。この放電は定常的なプラズマではなく、数ナノ秒から数百ナノ秒続く多数の短寿命マイクロ放電であり、これがガス体積を速やかに満たします。誘電体が電流を制限し、各マイクロ放電をそれ自体で終息させ、熱アークへの移行を防ぐため、ガスは周囲温度に留まります（Falkenstein, Ushio）。

ガス中では、まず電子衝突により励起キセノン原子が生成します。これが基底状態の2個のキセノン原子との三体反応により、エキシマーXe₂*を形成します。この生成過程が三体衝突であるため、そもそも大気圧に近い高い動作圧力が必要となります。

決定的な点は、この二量体の基底状態が反発性であるか、あるいは非常に弱くしか結合していないため、熱的に不安定であることです。分子は発光直後に解離するため、自身の放射に対する吸収体が存在しません。その結果、自己吸収のない172 nm付近の連続スペクトルが得られ、半値全幅（FWHM）は約14 nmとなります（Fraunhofer IFAM（ドイツ語））。これはまさに、共鳴線がプラズマ中で繰り返し再吸収され、出力が壁温に依存する水銀ランプとの違いです。

この物理原理から、実用上の特性が導かれます。電気エネルギーの最大40 %が利用可能なVUV放射に変換され、放射field（放射野）は非常に均一で、照射される部品はほとんど加熱されず、ランプはウォームアップ時間なしで即座にオン・オフでき、水銀を使用しない運転が可能です。

この励起原理は水銀ランプよりも古くから存在します。1855年、Theodose du Moncelはガラスで覆われ小さなガス間隙で隔てられた平板電極配置について報告しました。1857年にはWerner von Siemensが、スズ箔電極とガラスを誘電体として用いた円筒形オゾン発生器を記述しており、これは今日でも一般的な形態の誘電体バリア放電です（DBDの歴史に関するレビュー）。

希ガスからのエキシマ発光は、1970年代から1980年代にかけて当初レーザー技術に利用されました。Ulrich KogelschatzとBaldur Eliassonが、非コヒーレントなエキシマ光源を励起する効率的な方法としてDBDを確立したことで、エキシマランプはようやく独自の光源として登場しました。172 nmのキセノンエキシマランプは1990年代に工業用として登場し、半導体洗浄や表面活性化にすぐに用いられるようになりました。

この年代の流れは注目に値します。原理自体は19世紀半ばに遡りますが、表面処理用の放射源としての工業利用が始まったのは、それから約140年後のことです。

最も広く使用されているのは表面の乾式微細洗浄です。炭化水素は光分解され、光路中に生成される原子状酸素とオゾンによって二酸化炭素と水に酸化されます。溶剤を使用せず、機械的な作用もありません。これに直接関連するのが、接着、塗装、ワイヤボンディング、コーティング前の表面活性化であり、ポリマーの活性化も含まれます。これはインラインまたはバッチ処理として、大気中または窒素雰囲気中で行われます。

半導体・電子機器製造では、172 nm放射がウェーハおよびマスクの洗浄、フォトレジストや吸着物残留物の除去、濡れ性の改善に使用されます。同様の課題は、精密光学部品の製造やディスプレイ技術にも生じます。光化学的には、例えばポリシラザンからSiOₓバリア層を形成するなど、低温で層を形成することも可能です。水処理や排気処理では、VUV放射がOHラジカルの生成に使用されます。

すべての応用分野に共通しているのは、距離と雰囲気への依存性です。大気中での吸収により実用的な作業距離が数ミリメートルに制限されるため、プロセス形状、パージ、照射時間は単なる境界条件ではなく、実際のプロセスパラメータとなります。まさにそれゆえに、これらも測定し記録する必要があります。

酸素は172 nm付近で強く吸収します。わずか数mmの空気経路でも放射は顕著に減衰し、より長い距離ではほとんど検出器に到達しません。吸収されたエネルギーは酸素分子を解離させるため、光路上にオゾンが追加で生成され、これがUVCを吸収して時間の経過とともに条件を変化させます。

実務上の結果として、172 nmの測定は光路上の距離と雰囲気が定義され記録されている場合にのみ再現可能です。極めて短い測定距離、窒素パージ、または真空排気された装置構成が一般的です。172 nmでは、距離と雰囲気の記載がない測定値は解釈できません。

• 光路中の雰囲気。空気、パージ窒素、真空では明確に異なる測定値が得られます。パージ流量と残留酸素濃度は測定記録に記載する必要があります。
• 測定距離。強い吸収があるため、距離は逆二乗則のみが示唆する以上に大きな影響を及ぼします。距離は実際のプロセス面を基準にする必要があります。
• 窓材。通常の合成石英は172 nmですでに強く吸収します。代わりに、フッ化マグネシウムやフッ化カルシウムなど、十分なVUV透過率を持つ材料が使用されます。高純度合成石英は約160 nmまでしか使用できません。
• 検出器と経年劣化。ソーラーブラインド検出器は、より長い波長への交差感度を回避します。窓と検出器はVUV負荷により経年劣化するため、短い再校正間隔が推奨されます。
• 汚染。窓上の有機堆積物はVUVで特に効果的に分解されますが、それまでは透過率が変化します。清掃状態と稼働時間は評価に含める必要があります。

信頼性のある測定を行うには、光源から検出器までの経路全体、すなわち距離、雰囲気、開口部、窓材、検出器の種類が定義されている必要があります。この定義は測定手順の一部であり、再現するたびに同じ条件を再現しなければなりません。そうしないと、測定値は比較できません。

VUV領域における計量トレーサビリティは、UVAやUVCの領域よりも要求が厳しくなります。プロセスがVUV測定値に依存する場合は、UV試験室における規定条件下での受託測定をお勧めします。校正と計量トレーサビリティについては、認定校正機関により説明されています。

キセノンエキシマ光源での積算光量測定には、tinyTracker 172 nmをご利用いただけます。本製品はプロセス面で直接放射露光量を記録します。VUV範囲外の分光に関するご要望には、実験室用途としてSR900が適していますが、172 nm付近のVUV範囲はカバーしておりません。

172 nm照射およびその測定の代表的な分野として、表面洗浄と活性化、半導体・電子機器製造、そして光学精密部品の製造が挙げられます。

Mark Paravia博士(Dr.-Ing.)は、エトリンゲンにあるOpsytec Dr. Gröbel GmbHの代表取締役であり、認定校正機関を統括しています。KITの照明工学研究所においてパルスキセノンエキシマ放電に関する研究に従事した後、現在は光放射測定を専門としています。同氏はDIN規格委員会FNL 7「光放射」の副委員長を務め、DVGWのUV消毒に関するプロジェクトグループのメンバーでもあります。