제논 엑시머 램프의 172 nm VUV 복사(照射) 측정

제논 엑시머 램프는 진공자외선(VUV) 영역에서 약 172 nm 부근의 좁은 대역으로 방사합니다. VUV는 매우 짧은 공기 경로에서도 강하게 흡수되기 때문에 이러한 복사를 측정하는 것은 기존의 UVA, UVB 또는 UVC 복사계측과 근본적으로 다릅니다. 따라서 측정 거리, 대기, 창 및 검출기 재질, 교정 기하학적 조건이 측정 결과에 함께 영향을 미칩니다.

이 페이지에서는 172 nm에서 무엇이 다른지, 그리고 신뢰할 수 있는 측정을 어떻게 구성하는지 설명합니다. 각 기기에 대한 기술 데이터는 해당 제품 페이지에서 확인하실 수 있습니다.

172 nm의 광자는 약 7.2 eV의 에너지를 가집니다. 이는 C–C, C–H, C–O 결합을 직접 끊기에 충분한 에너지입니다. 따라서 이 방사선은 254 nm에서처럼 핵산에 흡수되는 방식이 아니라 분자에 즉각적으로 작용합니다: 172 nm은 주로 광화학적이며, 254 nm은 주로 광생물학적입니다. 광개시제가 필요하지 않습니다.

두 번째 특징적인 성질은 공기 중에서의 강한 흡수입니다. 산소 분자는 172 nm 부근에서 매우 강하게 흡수하기 때문에 단 몇 밀리미터의 공기층만으로도 방사선이 눈에 띄게 감쇠됩니다. 더 긴 거리에서는 목표물에 거의 도달하지 않습니다. 흡수된 에너지는 산소 분자를 분해하여, 빔 경로 상에서 원자 산소와 오존이 생성되고 그 자체로 화학적으로 작용합니다.

측정에서는 장애물로 보이는 이 현상이 공정에서는 오히려 이점이 됩니다: 짧은 도달 거리와 빔 경로에서 생성되는 반응성 물질이 바로 건식 정밀 세정과 표면 활성화를 가능하게 합니다.

아래 그림은 Xe₂* 연속 스펙트럼과 저압 수은 램프의 측정된 선 스펙트럼을 비교한 것입니다. 이 연속 스펙트럼은 172 nm을 중심으로 하고 반치전폭(FWHM)이 14 nm인 모델이며, 분광 데이터베이스에는 VUV 영역 자체에 대한 측정값이 없습니다.

여기(勵起)는 유전체 장벽 방전(DBD)에서 일어난다: 대기압에 가까운 압력의 제논이 석영, 유리 또는 세라믹으로 덮인 전극 사이의 수 밀리미터 간격에 위치하며, 킬로헤르츠 범위의 고전압으로 구동된다. 방전은 정상 상태의 플라즈마가 아니라 수 나노초에서 수백 나노초 동안 지속되는 다수의 단명 마이크로방전으로 이루어지며, 이들이 빠르게 가스 부피를 채운다. 유전체는 전류를 제한하고 각 마이크로방전을 스스로 종료시켜 열적 아크로의 전이를 방지하며, 가스는 상온을 유지한다(Falkenstein, Ushio).

가스 내에서 전자 충돌은 먼저 여기된 제논 원자를 생성한다. 두 개의 바닥상태 제논 원자와의 삼체 반응에서 이들은 엑시머 Xe₂*를 형성한다. 이 형성 경로가 삼체 충돌이기 때문에, 애초에 대기압에 가까운 높은 동작 압력이 필요하다.

결정적인 점은 이량체의 바닥상태이다: 이는 반발성이거나 매우 약하게만 결합되어 있어 열적으로 불안정하다. 분자는 방출 직후 즉시 해리되므로, 자신의 복사를 흡수할 흡수체가 존재하지 않는다. 그 결과 172 nm 부근에서 반치전폭(FWHM)이 약 14 nm인, 자기흡수가 없는 연속 스펙트럼이 형성된다(프라운호퍼 IFAM, 독일어). 이는 공명선이 플라즈마 내에서 반복적으로 재흡수되어 출력이 벽 온도에 의존하는 수은 램프와 정확히 다른 점이다.

이러한 물리적 특성으로부터 실용적인 성질들이 도출된다: 전기 에너지의 최대 40 %가 사용 가능한 VUV 복사로 변환되고, 복사장은 매우 균일하며, 조사된 부품은 거의 가열되지 않고, 예열 단계 없이 램프를 즉시 켜고 끌 수 있으며, 무수은 방식으로 작동한다.

여기제 원리는 수은 램프보다 오래된 것이다. 1855년 Theodose du Moncel은 유리로 덮이고 작은 기체 간극으로 분리된 평면 전극 배치에 대해 보고하였으며, 1857년 Werner von Siemens는 주석박 전극과 유전체로서의 유리를 사용한 원통형 오존 발생기, 즉 오늘날에도 흔히 사용되는 형태의 유전체 배리어 방전을 설명하였다(DBD 역사에 대한 리뷰).

희유가스로부터의 엑시머 발광은 1970년대와 1980년대에 처음에는 레이저 기술에 사용되었다. Ulrich Kogelschatz와 Baldur Eliasson이 DBD를 비간섭성 엑시머 소스를 여기시키는 효율적인 방법으로 확립하면서 엑시머 램프는 비로소 독자적인 광원으로 등장하였다. 산업용 172 nm 제논 엑시머 램프는 1990년대에 등장하였으며 빠르게 반도체 세정 및 표면 활성화 분야에 도입되었다.

이러한 시간적 흐름은 주목할 만하다. 이 원리는 19세기 중반에서 유래하였으나, 표면 처리를 위한 조사(照射) 소스로서의 산업적 활용은 그로부터 약 140년 후에 시작되었다.

가장 널리 사용되는 용도는 표면의 건식 정밀 세정입니다: 탄화수소는 광분해되어 빔 경로에서 생성된 원자 산소와 오존에 의해 이산화탄소와 물로 산화됩니다 – 용제 없이, 기계적 손상 없이 이루어집니다. 이와 직접 관련된 것은 접착, 도장, 와이어 본딩 및 코팅 전의 표면 활성화이며, 폴리머의 활성화를 포함합니다; 이는 인라인 또는 배치 공정으로, 대기 중 또는 질소 분위기에서 수행됩니다.

반도체 및 전자 제조 분야에서는 172 nm 방사선이 웨이퍼 및 마스크 세정, 포토레지스트 및 흡착물 잔류물 제거, 그리고 젖음성 개선에 사용됩니다; 유사한 작업이 정밀 광학 부품 제조 및 디스플레이 기술에서도 발생합니다. 광화학적으로는 저온에서도 층을 형성할 수 있는데, 예를 들어 폴리실라잔으로부터 SiOₓ 배리어층을 형성하는 경우입니다. 수처리 및 배기 처리에서는 VUV 방사선이 OH 라디칼 생성에 사용됩니다.

모든 응용 분야에 공통되는 것은 거리와 분위기에 대한 의존성입니다. 공기 중 흡수로 인해 사용 가능한 작업 거리가 수 밀리미터로 제한되기 때문에, 공정 형상, 퍼징 및 조사 시간은 단순한 경계 조건이 아니라 실제 공정 매개변수이며 – 바로 그렇기 때문에 이들 역시 측정 및 문서화되어야 합니다.

산소는 172 nm 부근에서 강하게 흡수합니다. 단 몇 밀리미터의 공기층만으로도 복사가 뚜렷하게 감쇠되며, 거리가 길어지면 검출기에 도달하는 양이 거의 없습니다. 흡수된 에너지는 산소 분자를 해리시켜 빔 경로를 따라 오존이 추가로 생성되며, 이 오존은 다시 UVC 영역을 흡수하여 시간이 지남에 따라 조건을 변화시킵니다.

실무적으로 볼 때, 172 nm 측정은 빔 경로상의 거리와 대기 조건이 정의되고 문서화되어야만 재현 가능합니다. 매우 짧은 측정 거리, 질소 퍼지 또는 진공 장치가 일반적으로 사용됩니다. 172 nm에서는 거리와 대기 조건이 명시되지 않은 측정값은 해석할 수 없습니다.

• 빔 경로 상의 분위기. 공기, 퍼지된 질소 또는 진공은 서로 확연히 다른 측정값을 초래합니다. 퍼지 유량과 잔류 산소 농도는 측정 기록에 포함되어야 합니다.
• 측정 거리. 강한 흡수 특성으로 인해 거리는 단순한 역제곱 법칙만으로 예상되는 것보다 훨씬 더 큰 영향을 미칩니다. 거리는 실제 공정 평면을 기준으로 해야 합니다.
• 창 재질. 일반적인 용융 실리카는 172 nm에서 이미 강하게 흡수됩니다. 이 대신 불화마그네슘이나 불화칼슘과 같이 VUV 투과율이 충분한 재질이 사용되며, 고순도 합성 용융 실리카는 약 160 nm까지만 사용 가능합니다.
• 검출기와 노화. 솔라 블라인드(solar-blind) 검출기는 장파장에 대한 교차 감도를 방지합니다. 창과 검출기는 VUV 부하 하에서 노화되므로 짧은 재교정 주기를 권장합니다.
• 오염. 창에 형성된 유기물 침착물은 VUV에서 특히 효과적으로 분해되지만, 분해되기 전까지는 투과율을 변화시킵니다. 평가 시에는 세정 상태와 가동 시간을 함께 고려해야 합니다.

신뢰할 수 있는 측정을 위해서는 광원에서 검출기까지의 전체 경로, 즉 거리, 대기, 조리개, 창 재질 및 검출기 유형이 정의되어야 합니다. 이러한 정의는 측정 절차의 일부이며 반복 측정 시마다 동일하게 재현되어야 하며, 그렇지 않으면 측정값을 비교할 수 없습니다.

VUV 영역에서의 측정 소급성은 UVA 또는 UVC 영역보다 요구 사항이 더 높습니다. 공정이 VUV 측정값에 의존해야 하는 경우, UV 실험실에서 정의된 조건 하에 수탁 측정을 실시하는 것이 권장되며, 교정 및 측정 소급성은 공인 교정기관에서 설명하고 있습니다.

제논 엑시머 광원에서의 조사량 측정을 위해 tinyTracker 172 nm을 사용할 수 있으며, 이는 공정 평면에서 직접 복사 노출량을 기록합니다. VUV 영역 외의 분광 관련 문제의 경우, 실험실에서는 SR900이 적합하지만, 172 nm 부근의 VUV 영역은 다루지 않습니다.

172 nm 조사(照射) 및 그 측정의 대표적인 응용 분야로는 표면 세정 및 활성화, 반도체 및 전자 제조, 그리고 광학 정밀 부품의 생산이 있습니다.

Dr.-Ing. Mark Paravia는 에틀링겐에 위치한 Opsytec Dr. Gröbel GmbH의 대표이사이며 공인 교정기관을 이끌고 있습니다. KIT 조명기술연구소에서 펄스형 제논 엑시머 방전에 관한 연구를 수행한 이후, 현재는 광학 복사 측정에 주력하고 있습니다. 그는 DIN 표준화위원회 FNL 7 "광학 복사" 부위원장이며 DVGW UV 소독 프로젝트 그룹의 일원입니다.