Meting van 172 nm VUV-straling van xenon-excimerlampen

Xenon-excimerlampen zenden straling uit in een smalle band in het vacuüm-UV rond 172 nm. Het meten van deze straling verschilt fundamenteel van klassieke UVA-, UVB- of UVC-radiometrie, omdat VUV over zeer korte luchtwegen sterk wordt geabsorbeerd. Meetafstand, atmosfeer, venster- en detectormateriaal en de kalibratiegeometrie worden daardoor onderdeel van het meetresultaat.

Deze pagina beschrijft wat er anders is bij 172 nm en hoe een betrouwbare meting wordt opgezet. Technische gegevens over de instrumenten vindt u op de respectievelijke productpagina's.

Een foton bij 172 nm draagt ongeveer 7,2 eV. Dat is genoeg om C–C-, C–H- en C–O-bindingen direct te verbreken. De straling werkt daardoor onmiddellijk op moleculen en niet, zoals bij 254 nm, via absorptie in nucleïnezuren: 172 nm is primair fotochemisch, 254 nm primair fotobiologisch. Er is geen fotoinitiator nodig.

De tweede bepalende eigenschap is de sterke absorptie in lucht. Moleculaire zuurstof absorbeert zo sterk rond 172 nm dat een luchtweg van slechts enkele millimeters de straling merkbaar verzwakt; over grotere afstanden komt vrijwel niets bij het doel aan. De geabsorbeerde energie splitst zuurstofmolecuulen, zodat atomaire zuurstof en ozon zich in het stralingspad vormen en op zichzelf chemisch actief zijn.

Wat bij metingen als een belemmering lijkt, is in het proces juist het voordeel: het is precies de korte reikwijdte en de reactieve verbindingen die in het stralingspad ontstaan, die droge fijnreiniging en oppervlakteactivering mogelijk maken.

De onderstaande figuur vergelijkt het Xe₂*-continuüm met het gemeten lijnspectrum van een lagedruk-kwiklamp. Het continuüm is een model gecentreerd op 172 nm met een volledige breedte op halve hoogte (FWHM) van 14 nm; de spectrale database bevat geen meting voor het VUV-bereik zelf.

Excitatie vindt plaats in een dielektrische barrièreontlading (DBD): xenon op bijna atmosferische druk bevindt zich in een spleet van enkele millimeters tussen elektroden bedekt met kwarts, glas of keramiek, aangedreven met hoogspanning in het kilohertzbereik. De ontlading is geen stabiel plasma, maar een groot aantal kortstondige microontladingen die enkele tot enkele honderden nanoseconden duren en die het gasvolume snel opvullen. Het dielektricum begrenst de stroom, beëindigt elke microontlading zelfstandig en voorkomt de overgang naar een thermische boog – het gas blijft op omgevingstemperatuur (Falkenstein, Ushio).

In het gas produceert elektronenimpact eerst geëxciteerde xenonatomen. In een drielichaamsreactie met twee xenonatomen in de grondtoestand vormen deze het excimeer Xe₂*. Omdat dit vormingskanaal een drielichaamsbotsing is, is de hoge bedrijfsdruk nabij atmosferische druk in de eerste plaats noodzakelijk.

Het beslissende punt is de grondtoestand van het dimeer: deze is repulsief, of slechts zeer zwak gebonden, en daardoor thermisch instabiel. Het molecuul dissocieert onmiddellijk na emissie, waardoor er geen absorbeermiddel bestaat voor zijn eigen straling. Het resultaat is een continuüm rond 172 nm, vrij van zelfabsorptie, met een volledige breedte op halve hoogte van ongeveer 14 nm (Fraunhofer IFAM, in het Duits). Dit is precies waar het verschilt van de kwiklamp, waarvan de resonantielijnen herhaaldelijk opnieuw worden geabsorbeerd in het plasma en waarvan de output daarom afhangt van de wandtemperatuur.

De praktische eigenschappen volgen uit deze fysica: tot 40 % van het elektrische vermogen wordt omgezet in bruikbare VUV-straling, het stralingsveld is zeer homogeen, de bestraalde delen warmen nauwelijks op, de lamp kan onmiddellijk worden in- en uitgeschakeld zonder opwarmfase, en werkt kwikvrij.

Het aanslagprincipe is ouder dan de kwikdamplamp. In 1855 berichtte Theodose du Moncel over een vlakke elektrodeopstelling bedekt met glas en gescheiden door een kleine gasspleet; in 1857 beschreef Werner von Siemens de cilindrische ozongenerator met elektroden van tinfolie en glas als dielektricum – de dielektrische barrièreontlading in de vorm die tegenwoordig nog gebruikelijk is (overzicht van de geschiedenis van de DBD).

Excimeeremissie uit edelgassen werd in eerste instantie in de jaren 1970 en 1980 in de lasertechniek toegepast. Pas toen Ulrich Kogelschatz en Baldur Eliasson de DBD vestigden als een efficiënte manier om incoherente excimeerbronnen aan te slaan, ontstond de excimeerlamp als volwaardige bron. Industriële 172 nm xenon-excimeerlampen kwamen in de jaren 1990 op de markt en vonden snel hun weg naar halfgeleiderreiniging en oppervlakteactivering.

De chronologie is opmerkelijk: het principe dateert uit het midden van de 19e eeuw, terwijl het industriële gebruik als stralingsbron voor oppervlakteprocessen zo'n 140 jaar later begint.

De meest verbreide toepassing is de droge fijnreiniging van oppervlakken: koolwaterstoffen worden fotolytisch gesplitst en door de in de stralingsweg gevormde atomaire zuurstof en ozon geoxideerd tot kooldioxide en water – zonder oplosmiddelen en zonder mechanische aantasting. Hiermee direct verbonden is de oppervlakteactivering voorafgaand aan verlijming, verven, draadbonden en coaten, inclusief de activering van polymeren; dit wordt in-line of als batchproces uitgevoerd, in lucht of in een stikstofatmosfeer.

In de halfgeleider- en elektronicafabricage wordt 172 nm-straling gebruikt voor het reinigen van wafers en maskers, voor het verwijderen van fotoresist- en adsorbaatresten en voor het verbeteren van de bevochtiging; vergelijkbare taken doen zich voor bij de productie van precisie-optische componenten en in de displaytechnologie. Fotochemisch kunnen bovendien bij lage temperatuur lagen worden gevormd, bijvoorbeeld SiOₓ-barrièrelagen uit polysilazanen. Bij water- en afvoerluchtbehandeling wordt VUV-straling gebruikt voor het genereren van OH-radicalen.

Wat alle toepassingen gemeen hebben, is hun afhankelijkheid van afstand en atmosfeer. Omdat absorptie in lucht de bruikbare werkafstand tot enkele millimeters beperkt, zijn procesgeometrie, spoeling en bestralingstijd geen randvoorwaarden maar de eigenlijke procesparameters – en precies daarom moeten ze ook worden gemeten en gedocumenteerd.

Zuurstof absorbeert sterk rond 172 nm. Een luchtweg van slechts enkele millimeters verzwakt de straling al merkbaar; over grotere afstanden bereikt vrijwel niets de detector. De geabsorbeerde energie splitst zuurstofmolecuA5len, waardoor bovendien ozon ontstaat langs het stralingspad, wat op zijn beurt in het UVC-gebied absorbeert en de omstandigheden in de tijd verandert.

Het praktische gevolg: een meting bij 172 nm is alleen reproduceerbaar als de afstand en de atmosfeer langs het stralingspad gedefinieerd en gedocumenteerd zijn. Zeer korte meetafstanden, een stikstofspoeling of een geëvacueerde opstelling zijn gebruikelijk. Bij 172 nm kan een meetwaarde zonder vermelde afstand en atmosfeer niet worden geïnterpreteerd.

• Atmosfeer in het stralingspad. Lucht, gespoeld stikstof of vacuüm leiden tot duidelijk verschillende meetwaarden. De spoelsnelheid en de resterende zuurstofconcentratie horen in het meetprotocol.
• Meetafstand. Door de sterke absorptie speelt de afstand een veel grotere rol dan alleen de kwadratenwet zou doen vermoeden. De afstand moet betrekking hebben op het werkelijke procesvlak.
• Venstermateriaal. Gewoon kwartsglas absorbeert al sterk bij 172 nm. In plaats daarvan worden materialen met voldoende VUV-transmissie gebruikt, zoals magnesiumfluoride of calciumfluoride; hoogzuiver synthetisch kwartsglas slechts tot ongeveer 160 nm.
• Detector en veroudering. Solar-blind detectoren voorkomen kruisgevoeligheid voor langere golflengten. Vensters en detectoren verouderen onder VUV-belasting, daarom zijn korte herkalibratie-intervallen aan te bevelen.
• Verontreiniging. Organische afzettingen op vensters worden in het VUV-gebied bijzonder effectief afgebroken, maar tot dan toe veranderen ze de transmissie. Reinigingsstatus en bedrijfsuren horen bij de beoordeling.

Voor een betrouwbare meting wordt het gehele traject van bron tot detector vastgelegd: afstand, atmosfeer, aperturen, venstermateriaal en detectortype. Deze vastlegging is onderdeel van de meetprocedure en moet bij elke herhaling worden gereproduceerd, anders zijn de waarden niet vergelijkbaar.

Metrologische herleidbaarheid in het VUV is veeleisender dan in het UVA- of UVC-bereik. Als een proces op VUV-meetwaarden moet steunen, is een contractmeting onder gedefinieerde omstandigheden in het UV-laboratorium aan te bevelen; kalibratie en metrologische herleidbaarheid worden beschreven door het geaccrediteerde kalibratielaboratorium.

Voor dosismeting bij xenon-excimerbronnen is de tinyTracker 172 nm beschikbaar; deze registreert de stralingsexpositie direct in het procesvlak. Voor spectrale vraagstukken buiten het VUV-bereik is de SR900 geschikt in het laboratorium, hoewel deze het VUV-bereik rond 172 nm niet omvat.

Typische toepassingsgebieden voor bestraling met 172 nm en de meting daarvan zijn reiniging en activering van oppervlakken, de productie van halfgeleiders en elektronica en de productie van optische precisiecomponenten.

Dr.-Ing. Mark Paravia is directeur van Opsytec Dr. Gröbel GmbH in Ettlingen en leidt het geaccrediteerde kalibratielaboratorium. Na zijn onderzoek naar gepulseerde xenon-excimerontladingen aan het Institute of Lighting Technology van het KIT, ligt zijn focus vandaag op optische stralingsmeting. Hij is vicevoorzitter van de DIN-normcommissie FNL 7 "Optical radiation" en lid van de DVGW-projectgroep voor UV-desinfectie.